EP3807286B1 - Degradable silane having thio and amino groups, silicic acid polycondensates and hybrid polymers produced therefrom, use thereof and method for producing the silanes - Google Patents

Degradable silane having thio and amino groups, silicic acid polycondensates and hybrid polymers produced therefrom, use thereof and method for producing the silanes Download PDF

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EP3807286B1
EP3807286B1 EP19727661.1A EP19727661A EP3807286B1 EP 3807286 B1 EP3807286 B1 EP 3807286B1 EP 19727661 A EP19727661 A EP 19727661A EP 3807286 B1 EP3807286 B1 EP 3807286B1
Authority
EP
European Patent Office
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groups
group
chain
silane
organically modified
Prior art date
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Application number
EP19727661.1A
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French (fr)
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EP3807286C0 (en
EP3807286A1 (en
Inventor
Herbert Wolter
Somchith Nique
Johannes SCHWAIGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F7/00Compounds containing elements of Groups 4 or 14 of the Periodic System
    • C07F7/02Silicon compounds
    • C07F7/08Compounds having one or more C—Si linkages
    • C07F7/18Compounds having one or more C—Si linkages as well as one or more C—O—Si linkages
    • C07F7/1804Compounds having Si-O-C linkages
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G77/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G77/04Polysiloxanes
    • C08G77/22Polysiloxanes containing silicon bound to organic groups containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen
    • C08G77/28Polysiloxanes containing silicon bound to organic groups containing atoms other than carbon, hydrogen and oxygen sulfur-containing groups

Definitions

  • the present invention relates to new silanes and the production of biodegradable, organically modifiable silicic acid polycondensates (resin systems) and polymers thereof or therewith.
  • the silanes according to the invention contain one or more substituents bonded to the silicon via oxygen and having short or longer hydrocarbon chains, with longer chains being interrupted either by hydrolyzable and/or enzymatically or otherwise cleavable groups within these chains and/or substituted in such a way that when they are cleaved Groups the remaining hydrocarbon chains are water soluble.
  • substituents also contain thiol and/or amine groups.
  • the reaction partners with the radicals X also contain short or longer hydrocarbon chains, with longer chains being interrupted either by hydrolyzable and/or enzymatically or otherwise cleavable groups within these chains and/or substituted in such a way that when these groups are cleaved, the remaining hydrocarbon chains are water-soluble .
  • thiol or amine and ene/ring-opening component can be carried out, for example, thermally or redox-induced or by irradiation with visible and/or UV light.
  • This results in possible processing methods for the production of structured materials e.g. 2 or multi-photon polymerization (2PP; MPP), the digital light processing method (DLP), stereolithography (STL), multi-jet modeling (MSM), Poly Jet Printing (PJP), Ink Jet, UV Lithography, Nanoimprint and Screen Printing.
  • the materials obtained in this way and to a large extent are stable to irradiation with ⁇ -rays, so that they can be sterilized.
  • the mechanical properties of the hybrid polymers produced from the silanes can be specifically adjusted so that they resemble those of natural, soft or hard tissue. They can be colonized by cell types such as endothelial cells and are therefore suitable, for example, as scaffolds for stabilizing and growing cells or tissue.
  • the hybrid polymers decompose to a greater or lesser extent within a few weeks, with the formation of toxically harmless, mostly water-soluble, small-scale degradation products.
  • tissue engineering Due to the increasing life expectancy of people in Germany and the resulting undersupply of required donor organs, alternatives to organ transplantation from donor to recipient are urgently needed.
  • tissue engineering came up.
  • This interdisciplinary field has set itself the goal of improving or replacing the function of damaged tissue, ideally in order to grow entire replacement organs and tissue from the patient's own material.
  • cells In order for cells to form functioning three-dimensional structures outside the body, they need a supporting matrix, which is realized in tissue engineering using artificial scaffold structures. This can either be seeded in vitro with cells, which then grow, multiply and ultimately form tissue that is then transplanted, or used directly in the body at the site to be treated to support regrowth of the surrounding tissue.
  • biodegradable polymers are also used as drug delivery systems for long-term medication, resorbable sutures or implants, e.g. B. used for fixation after fractures.
  • biodegradable polymers used to date are not free from disadvantages. Natural polymers are very expensive, have no tunable degradation rates, and only limited mechanical properties that can be tuned. In addition, they can provoke defensive reactions of the body and/or do not provide good cell adhesion, which is necessary for tissue formation. Some species, such as PLA and PGA, become acidic products such as B. lactic and glycolic acid hydrolyzed, which also catalyze the further polymer degradation (autocatalysis), which is why it is difficult to predict. Furthermore, these products can also cause inflammatory reactions.
  • scaffolds of biopolymers generated by 2PP are good from a chemical point of view suitable.
  • dismantling the scaffold also offers the opportunity to create space for cell migration and expansion.
  • biocompatible materials that can be structured by 2PP. These either contain residues attached via Si-C bonds which carry organically polymerizable groups, or they are produced from a mixture of silanes with Si-C-bonded, organically polymerizable residues and organically polymerizable compounds. These materials have been shown to be to some extent hydrolytically biodegradable and capable of being colonized by cells.
  • Obel et al. were able to integrate the organic residues containing polymerizable groups into the hybrid polymer structure by introducing a hydrolytically cleavable Si-OC bond in such a way that a largely degradable material is obtained after polymerization.
  • WO 2016/037871 A1 results, such structured materials suffer weight loss in water as well as in buffers such as PBS.
  • NMR spectroscopy the hydrolytic cleavage of the structure at all cleavable points and thus the degradation of the material could be demonstrated.
  • the partially degradable materials can be colonized by cells.
  • the organic crosslinking of the materials takes place according to WO 2016/037871 A1 usually through the construction of polymethacrylate chains. These are not broken down during the hydrolytic splitting of the materials and therefore remain in the breakdown product.
  • EP 0 779 890 A1 discloses silanes in which radicals having at least one carbon atom are attached to the silicon atom and their use in the preparation of organically modified silicic acid polycondensates.
  • the object of the present invention is to provide crosslinkable and crosslinked materials which, on the one hand, are accessible to a closer crosslinking or are more closely crosslinked than purely organic materials and can therefore achieve mechanical properties that can essentially only be adjusted with silicon-containing hybrid materials that on the other hand, however, can be more completely degraded under physiological conditions than the previously known hybrid materials, in particular the presence of longer, poorly cleavable and thus poorly degradable chain structures such as polymethacrylate chains should be avoided.
  • the materials according to the invention should also be sterilizable and biocompatible, so that they are suitable for the production of implants or scaffolds.
  • figure 1 shows a 3D shaped body made of a material according to the invention and printed with the aid of Digital Light Processing (DLP method).
  • figure 2 shows a porous molding printed by the same method, also made of material according to the invention.
  • DLP method Digital Light Processing
  • the present invention provides an organically modified silicic acid polycondensate comprising a hydrolytic condensation product of a silane according to the invention or a mixture of several of these silanes.
  • the present invention provides an organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, which can be prepared by reacting the silane according to the invention and/or an organically modified silicic acid polycondensate according to the invention with a compound R 2 (X) b (2), in which the group R 2 has a b-fold binding Hydrocarbon skeleton having a straight or branched hydrocarbon-containing chain having one or more structural elements each having not more than 8 consecutive carbon atoms, each of several structural elements of the hydrocarbon-containing chain being separated from the next structural element by a cleavable group, the cleavable groups being selected are under ester, anhydride, amide, carbonate, carbamate, ketal, acetal, disulfide, imine, hydrazone and oxime groups, X is a group which in said reaction with the at least one Thiol or primary or secondary amino group of the radical R 1 of the silane of formula (1) undergoes an addition reaction, and b is 2, 3, 4
  • the present invention provides the use of the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate according to the invention in the form of a shaped body as a biologically or medically useful object or as an object for cell or tissue stabilization or for cell or tissue cultivation.
  • the thiol or primary or secondary amino group is a polyaddable group.
  • At least one or each of the groups R 1 consists exclusively of organic moieties.
  • the at least one thiol or primary or secondary amino group is preferably located at the non-silicon end of the R 1 group, or, in the case of branched chains, at least at one non-silicon end of the R 1 group.
  • the number of elements having features (a) and (b) in a group R 1 is preferably two to ten, more preferably two to six.
  • At least one of the elements of the hydrocarbon skeleton of the radical R 1 preferably has a maximum of six, preferably not more than four and particularly preferably not more than three consecutive carbon atoms. It is particularly preferred that all elements of the hydrocarbon skeleton of the radical R 1 have a maximum of three consecutive carbon atoms. This can apply to all R 1 radicals, so that only elements of the hydrocarbon structure with a maximum of three consecutive carbon atoms are present in the R 1 radicals in the silane.
  • each R group is a hydrolytically condensable group and/or alkyl, provided that at least one R group is a hydrolytically condensable group and no more than one R group is an alkyl group.
  • a is 2 or, when a plurality of such silanes are mixed, an average of about 2.
  • the element or at least one of the elements of the hydrocarbon-containing chain of the radical R 2 preferably has a maximum of six, more preferably no more than four and particularly preferably no more than three consecutive carbon atoms.
  • the compound (2) preferably contains no silicon.
  • the number of elements in a group R 2 is preferably two to ten, more preferably two to six.
  • the reactants of the reaction ie the silane or the polycondensate on the one hand and the compound R 2 (X) b on the other hand, can be used in any ratio to one another.
  • the compound R 2 (X) b can be used in the stoichiometric excess or in excess of the silane or the polycondensate, or in the same amount, based on the groups that react with one another. If, for example, a complete implementation of the polyaddable groups, e.g. B. the thiol groups, desired in the silane or polycondensate, the compound R 2 (X) b can be added in excess. However, if, for example, no complete implementation of the polyaddable groups, e.g. B.
  • the compound R 2 (X) b can be added in deficit.
  • some of the polyaddable groups are not converted and can then be used for later attachment of molecules, e.g. B. enzymes, or only increase the solubility in a medium by the polarity of the groups, for example.
  • unreacted polyaddable groups of the silane or polycondensate are present in the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, e.g. B. thiol groups.
  • the compound R 2 (X) b serves as a crosslinker and is thus preferably a small molecule.
  • the molecular weight is preferably at most 3000 g/mol, more preferably at most 2000 g/mol and most preferably at most 1000 g/mol. In certain embodiments, the compound has a molecular weight of at most 500 g/mol.
  • This low molecular weight compound R 2 (X) b preferably contains no silicon.
  • An organically modified, polymerized silicic acid polycondensate is preferred, in which the silicon-free compound R 2 (X) b has a molecular weight of at most 3000 g/mol and the ratio of the groups X of the compound (2) to the sum of the thiol and amino groups in the silanes (1) and condensation products thereof is from 0.1 to below 1.0.
  • the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate according to the invention can also contain at least one filler, preferably selected from tricalcium phosphate, hydroxyapatite, bioglass and magnesium particles.
  • the present invention differs from the subject matter of WO 2016/037881 A1 .
  • the thiol When reacting with a thiol, the thiol must be used in excess so that no unreacted and therefore toxic acrylate remains. After the reaction, the excess thiol must be washed out.
  • the thiol is contained in the silane or the polycondensate. If the acrylate-containing crosslinker is added in deficit, it is completely converted. Subsequent removal of unreacted crosslinker is not required.
  • radicals R 1 in the silane of the formula (1) can be the same or different. If 4-a is greater than 1, the R radicals can be the same or different.
  • R 1 The bond between R 1 and the silicon atom can be configured as a CO-Si group or as a C(O)-O-Si group.
  • R 1 is thus to be addressed in the former case as an alkoxy radical and in the latter case as an acyloxy radical.
  • the hydrocarbyl chain of R 1 must have no more than 8 consecutive carbon atoms, preferably less than 8.
  • the total is 8 or less than 8, the presence of a cleavable group is optional. If the number is greater, there must be cleavable groups which interrupt the hydrocarbon-containing chain(s) in such a way that no more than 8, but preferably even fewer, carbon atoms follow one another. Even with a total of at most 8 carbon atoms in the hydrocarbon-containing chain, this can optionally (and preferably) be subdivided into smaller elements by cleavable groups. The shorter the element or elements made up of hydrocarbon groups, the better the degradability, because the shorter fragments are formed during degradation.
  • the hydrocarbon-containing chain of R 1 is preferably made up of alkylene units.
  • Their members can, but do not have to, be substituted with one or more substituents, the substituents preferably being selected from hydroxy, carboxylic acid, phosphate, phosphonic acid, phosphoric acid ester, tertiary amino groups and amino acid groups.
  • the hydrocarbon-containing chain of R 1 can also be interrupted within the single element or the individual elements by oxygen atoms (ether groups), sulfur atoms (thioether groups) or sulfonyl groups (-S(O) 2 -).
  • the cleavable groups of R 1 are ester groups.
  • the silane is one that has two or, in the case of a mixture of several silanes, about two acyl radicals per silicon and two or about two radicals R 1 .
  • the radical R 1 is an alkoxy radical which is substituted by a thiol group and preferably has 2 to 6 carbon atoms.
  • the thiol group may be at the non-silicon end of R 1 ; instead, a non-terminal CH 2 group can be substituted with the thiol group, this residue preferably being located as far away from the silicon atom as possible.
  • the radical R 1 is branched and has two thiol groups which are preferably located at the ends of R 1 which are remote from the silicon.
  • the radical R 1 is straight-chain; its hydrocarbon chain has 4 to 20 carbon atoms.
  • This chain is interrupted by one or more ester groups (-C(O)O-, which can point in either of the two possible directions); the individual elements formed in this way can also be interrupted by sulfur and/or oxygen atoms.
  • a thiol group is preferably located at the non-silicon end of the chain. This thiol group can be the only thiol group or one of several thiol groups on the R 1 radical.
  • the thiol addition is carried out in the presence of an initiator, as is known from the prior art, while the amine addition can also be carried out without an initiator.
  • the silanes of the formula (1) can be obtained in various ways. For example, they can be prepared by using a silane of the formula R x a SiR 4-a (3), where a and R are as defined for formula (1) and R x R 3 is COO - where R 3 is C 1 -C 6 -alkyl, preferably methyl, is reacted with a compound R 1 -OH, in which R 1 has the meaning given for formula (1).
  • R 1 has the meaning given for formula (1).
  • both the radicals R x and the radicals R are acyl radicals, for example acetyl radicals.
  • R 1 OH acetyl radicals
  • silanes according to the invention or mixtures of these silanes can be inorganically condensed, for example via a hydrolysis reaction.
  • either other known, hydrolytically condensable silanes and/or alkoxy compounds of heteroatoms such as B, Al, Zr, Zn or Sn are added to the silanes according to the invention during the hydrolysis reaction.
  • the condensate can also be referred to as an organically modified silicic acid heteropolycondensate. If such additives are missing, a silicic acid homopolycondensate is formed.
  • silicic acid polycondensate is intended to include both hetero- and homo-condensates.
  • each member of the hydrocarbyl chain of R 2 must have no more than 8 consecutive carbon atoms, but preferably less. If the total is 8 or less than 8, the presence of a cleavable group is optional. If the number is greater, there must be cleavable groups which interrupt the elements of the hydrocarbon-containing chain in such a way that no more than 8, but preferably even fewer, carbon atoms follow one another. Even with a total of at most 8 carbon atoms in the hydrocarbon-containing chain, this can optionally be subdivided into smaller elements by cleavable groups.
  • hydrocarbon skeleton of R 2 has more than one hydrocarbon-containing chain (eg when compound (2) is a silane or a siloxane, ie a silicic acid polycondensate), this condition applies to each of the chains present .
  • compound (2) is a silane or a siloxane, ie a silicic acid polycondensate
  • this condition applies to each of the chains present .
  • the hydrocarbon skeleton of R 2 preferably has mainly or exclusively alkylene units. Their members can, but do not have to, be substituted with one or more substituents, the substituents preferably being selected from hydroxyl, carboxylic acid, phosphate, phosphonic acid, phosphoric acid ester, tertiary amino and amino acid groups.
  • the hydrocarbon skeleton of R 2 can consist of such alkylene units.
  • the hydrocarbon-containing chain of R 2 can be further interrupted within the single element or elements by oxygen atoms (ether groups), sulfur atoms (thioether groups) or sulfonyl groups (-S(O) 2 -).
  • the cleavable groups of R 2 can be hydrolyzable, ie hydrolytically cleavable groups. These include, for example, the ester and anhydride groups and, as a rule, the ketal, acetal, disulfide, imine, hydrazone and oxime groups. Cleavable groups which are enzymatically cleavable such as the ester, amide, carbonate and carbamate groups can also be used. However, the groups can also be both hydrolytically and enzymatically cleavable. If the groups mentioned can also be cleaved in other ways, this is of course favorable according to the invention, since other cleavage reactions then open up for the degradation. Ester groups are preferred among the cleavable groups.
  • the thiols or amino groups of the silanes (1) or of the condensates formed therefrom or with it by hydrolysis enter into an addition reaction in the manner of a thiol-ene reaction with the groups X of the compound (2).
  • the groups X have terminal polyaddable C ⁇ C groups.
  • These can be, for example, acrylic or methacrylic groups (eg acrylate and/or methacrylate groups), allyl ester, vinyl ester, allyl ether, vinyl ether, propenyl ether, maleimide or N-vinyl amide groups.
  • these are ring-opening systems.
  • This includes, for example, epoxy groups and reactive cyclic ether groups with, for example, 4 ring members (oxetane group).
  • the glycidyl or oxetane group can are unsubstituted or substituted.
  • cyclic carbonate groups such as those in the DE 4423811.8 are described, spiroesters / spiroorthoesters (the latter are for example in DE 4125201.2 shown) as well as spiroorthocarbonates and bicyclic orthoesters are used.
  • the compounds (2) can be purely organic compounds (preferably monomers or oligomers). Examples are esterified with at least two methacrylate diols or triols such as glycerol and their reaction products with dicyclopentadiene. Alternatively, at least one hydrolyzable silyl group can be integrated into the hydrocarbon structure of (2).
  • polycondensates can then generally carry a total of more than two X groups, for example about one or two X groups per silicon atom; however, more or less is of course also possible.
  • a not yet hydrolytically condensed silane (1) is reacted with the compound (2) and/or the compound (2) is a not (yet) hydrolytically condensed silane, then after the reaction of (1) with (2) preferably a subsequent hydrolytic condensation.
  • the rule is that one starts with hydrolytically condensed silanes (1), ie a material that is already inorganically crosslinked, and reacts these either with a purely organic compound (2) or with a hydrolytic condensate of a silane of the formula (2).
  • the ratio between the groups X of the compound (2) and the thiol or amino groups of the silanes (1) or the silane condensates formed therefrom is variable.
  • the groups are preferably used in a ratio of 1:1 or the thiol or amino groups are used in less than the X groups.
  • the latter is favorable, for example, when the groups X are capable of homopolymerization, ie are, for example, (meth)acryl groups.
  • a homopolymerization reaction of the groups X takes place at the same time--even if only to a minor extent.
  • the groups X of the compound (2) can also be added in less than one amount.
  • the ratio of the groups X of the compound (2) to the sum of the thiol and amino groups of the silanes (1) and any silane condensates formed therefrom can be from 0.1 to less than 1.0, preferably from 0.2 to 0.9. Alternative ratios are 0.5 to 0.9 or 0.1 to 0.5. To this This avoids unreacted crosslinking agent, which is toxic in the case of acrylate, remaining in the reaction mixture and possibly having to be removed. In addition, in this case there are unreacted groups of the silanes (1) which can be polyadded, namely thiol or amino groups, which, because of their polarity, promote, for example, the attachment of cells or are suitable for the covalent attachment of other molecules. The groups of the silanes (1) which can be polyadded thereby become functional groups in the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate.
  • Curing through the thiol-ene reaction can occur via two different mechanisms: free radical thiol-ene reaction and thio-Michael addition.
  • the free radical mechanism is initiated by a free radical initiator (thermal and/or photoinduced and/or redox induced).
  • a free radical initiator thermal and/or photoinduced and/or redox induced
  • photobases can be used, since the thiol-Michael addition base-catalyzed.
  • Photobases release a base upon exposure to light and can thus initiate the thiol-Michael addition. Photobases can therefore also be used in the preparation of the polymerized compounds according to the invention. The production and use of photobases is described in the literature.
  • the irradiation can be carried out with visible and/or UV light.
  • Combinations of different reactions for example photochemical and thermal or a combination of redox-induced curing with, for example, photo-induced or thermal curing are also possible.
  • Possible processing methods for structured materials are, for example, 2- or multi-photon polymerisation (2PP/MPP), digital light processing (DLP) and stereolithography (STL), although this list should not be taken as exhaustive. If the reaction is carried out appropriately (avoidance of an excess of compound (2) if this should be purely organic), only products are obtained which are monomer-free and therefore cannot be allergenic.
  • the polymerization reaction can take place from a (usually liquid or pasty) resin mass (in bulk form) that contains the components.
  • a resin mass in bulk form
  • VAT polymerisation For structured products such as scaffolds or implants - but not only for these - the polymerisation can take place in a bath, for example, in which the resin material is presented as a mass (liquid or pasty) and polymerised in a desired shape or a desired pattern (VAT polymerisation ).
  • an exposure is preferably carried out with laser light in a known manner, for example a 2- or multi-photon polymerization ("TPA processing"), as for example in WO 2011/098460 A1 described.
  • a structuring with others VAT polymerization techniques are used, for example by the so-called DLP process, in which the desired shape is built up in layers by sequential exposure to light.
  • the component adheres to a construction platform that hangs upside down in the resin mass.
  • the bath with the resin mass is irradiated from below and the resulting component is lifted up layer by layer.
  • the unpolymerized material can then be washed away.
  • a printing technique such as Multi Jet Modeling (MSM), Poly Jet Printing (PJP), Ink Jet is used, only the required material is printed in layers, so that washing out is not necessary.
  • MSM Multi Jet Modeling
  • PJP Poly Jet Printing
  • Ink Jet Ink Jet
  • the pores required for the growth of the biological material can be produced directly in the shaped body with the aid of the structuring techniques mentioned.
  • DLP pores can be created primarily in the ⁇ m range, with TPA also below that, i.e. in the nm range.
  • the compounds according to the invention ie the silane, the organically modified silicic acid polycondensate and the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, can therefore also be used to produce framework structures (scaffolds).
  • the shaped body that can be produced according to the invention can also be a framework structure.
  • the reaction of (1) with (2) gives rise to a product which may be in the form of a chain or ring, but is usually crosslinked (hybrid polymer).
  • this can usually be degraded in different ways, but of course in particular hydrolytically or enzymatically, due to the fact that both components (1) and (2) usually only have short hydrocarbon chains, which may be corresponding hydrolytically or enzymatically and optionally otherwise cleavable groups are separated from one another.
  • the hydrocarbon-containing chains remaining when the cleavable groups are cleaved can be water-soluble—at least at the temperature of the human body, but preferably at normal ambient temperature, ie about 25.degree.
  • the hybrid polymers decompose to a greater or lesser extent within a few weeks, with the formation of toxically harmless, mostly water-soluble, small-scale degradation products.
  • Both the organic network structure and the oxygen bridge between the organic substituent and the silicon atom are also cleaved.
  • the hybrid polymers according to the invention are therefore suitable for the production of completely biodegradable or resorbable implants or scaffolds with mechanical data adapted to the respective intended use.
  • the silanes and hybrid polymers according to the invention are also suitable for use in bone cements.
  • the materials obtained in this way, as well as some of their precursors, are—in contrast to some materials such as (meth)acrylate materials—stable to irradiation with ⁇ rays (preferred method due to ease of use) so that they can be sterilized. Sterilization of the shaped bodies produced is often essential, especially in the medical field, for example if they are to be used as bone substitutes or scaffolds. And not only the fully polymerized products of the invention can be sterilized, but also the silanes/silicic acid polycondensates (1) and many crosslinkers (2), so that the starting materials for the crosslinked products can be sterilized without further ado.
  • the mechanical properties of the hybrid polymers produced from the silanes can be specifically adjusted so that they resemble those of natural, soft or hard tissue. They can be colonized by cell types such as endothelial cells and are therefore suitable, for example, as scaffolds for stabilizing and growing cells.
  • the invention is to be explained in more detail below using a schematic representation of a silane of the formula (1) according to the invention. Shown is one of the substituents R 1 on the silane (1) bonded to the silicon atom through an oxygen atom. Here, this oxygen atom is part of a glycerol unit. The two remaining alcohol groups of these units are esterified with thioglycolic acid groups. The group is thus branched and has thiol groups at its ends remote from the silicon atom, which are organic with a compound containing two or more C ⁇ C double bonds or rings (hereinafter generally referred to as "multi-ene") in the sense of a thiol-ene polyaddition can be networked.
  • multi-ene a compound containing two or more C ⁇ C double bonds or rings
  • the two exemplary carboxylic acid ester groups present in this group are susceptible to hydrolysis and are referred to here as DG. Takes place under hydrolysis conditions also the cleavage of the Si-O bond. This provides a material that is degradable to silicon at the point of attachment of the organic group.
  • the associated crosslinking component (2) is shown below in general form and as an example for a multi-ene.
  • the multi-ene contains two hydrolytically cleavable carboxylic acid ester groups, which are in turn denoted here by DG. There are also two terminal methacrylate groups.
  • the organic polymerization leads to the organic crosslinked structure below.
  • the material properties of the hybrid polymers according to the invention can be influenced in many ways by the incorporation of additives, such as fillers, prior to the organic crosslinking.
  • additives such as fillers, prior to the organic crosslinking.
  • Fillers of various shapes that are themselves degradable or degradable are particularly suitable here, such as tricalcium phosphate, hydroxyapatite, magnesium particles or bioglass (particles made up of a glass base of, for example, SiO 2 , Na 2 O or K 2 O/CaO/ Phosphorus compounds such as P 2 O 5 which gradually dissolve under certain environmental conditions, see Bioactive Glasses, Fundamentals, Technology and Application by Royal Society of Chemistry ).
  • the degradation behavior, mechanical properties such as mechanical stability (e.g.
  • Pores can be created either directly, by appropriate structuring of the shaped body, or by containing degradable or degradable fillers in the organically crosslinked material, which quickly degrade after the shaped body, such as a scaffold, has been inserted into the body.
  • a local acceleration of the degradation can also be achieved, for example, by using a filler which supplies basic degradation products when it decomposes.
  • Bioglasses for example, are suitable as fillers for this purpose.
  • non-degradable fillers can also be added in order to influence, in particular to increase, the mechanical stability of a molded article produced from the material according to the invention. Of course, it is favorable if such fillers are in turn made up of small particles.
  • Photobases and photoacids can be integrated into the material systems as triggers in order to initiate degradation at a later point in time or to increase the degradation rate of a specimen by the acids or bases released by the exposure of the specimen catalyzing the cleavage of the degradable groups.
  • the production and corresponding use of photobases and photoacids is described in the literature.
  • photobases are advantageous since they can be used not only, as described above, in the synthesis of the compounds according to the invention but also in their degradation.
  • proteins to the material according to the invention which have the properties of growth factors (eg bone morphogenic proteins) or osteoinductive ones Possess mediators to further improve the suitability of the material as a scaffold in tissue engineering.
  • growth factors eg bone morphogenic proteins
  • osteoinductive ones Possess mediators to further improve the suitability of the material as a scaffold in tissue engineering.
  • proteins can be used as an additive or directly attached to components (1) and/or (2) and thus as their constituents, although in the latter case the conditions specified for them must of course be observed (e.g. binding of the proteins via an ester group; linkage of the individual amino acids via acid amide groups).
  • the use of the materials according to the invention extends i.a. for use in the form of bulk materials, fibers, composites, cements, adhesives, casting compounds, coating materials, use in (reaction) extruders, in the field of multi-photon polymerisation. They are suitable for a wide variety of purposes. Use for medical applications (eg as an implant, bone replacement material, bone cement) is of particular importance. However, use in other areas of application outside the body is also possible.
  • the product mixtures U1, U2 and U3 were then each hydrolyzed at 90 °C in several steps. To this end, enough water was added that there is one water molecule for every fifth remaining bonded acetoxy group (but at least one water molecule for every twentieth acetate group present before hydrolysis). After the water had been added, the mixture was stirred at 90° C. for 1 min and the volatile constituents were then removed under an oil pump vacuum. The degree of hydrolysis of the Si—OAc and Si—OAlk groups was checked in each case by means of 1 H NMR spectroscopy. The water addition was repeated until essentially all acetate groups were removed from the mixture. No cleavage of the alkoxy groups was observed here. The resulting products H1, H2 and H3 have on average two alkoxy groups attached to one silicon atom. The respective products are described below as SH resins H1, H2 and H3.
  • BHT butylated hydroxytoluene
  • 30.00 g (131.44 mmol) of glycerol dimethacrylate mixture of mono-, di- and trisubstituted glycerol; on average disubstituted.
  • the reaction mixture is then stirred at 80° C. and cyclopentadiene is slowly added dropwise.
  • the cyclopentadiene is produced in parallel by the thermal cleavage of dicyclopentadiene and transferred into the reaction mixture by distillation. Conversion of the methacrylate group is monitored by 1 H NMR spectroscopy.
  • the proportions of the isomers of the glycerol dimethacrylate (and accordingly also those of the product isomers) (read from top to bottom) were 18, 49, 16, 16 and 1 mole %. It is of course also possible to use other isomer ratios or mixtures or pure isomers.
  • the materials according to the invention can be used to bring about a specifically sought-after adaptation of the mechanical values to certain tissues. Since both the inorganic and the organic crosslinking density can be adjusted, the person skilled in the art can achieve precisely the desired values by making a suitable choice within the parameters that the invention describes.
  • test specimens 0.10 g Lucerin-TPO and 0.02 g pyrogallol were dissolved in 5.55 g V1. After the addition of 4.00 g H1, the test specimens (diameter 10 mm; height 2 mm) were cured by exposure to light (2 ⁇ 5 min).
  • the specimens were stored in distilled water or in buffer solutions (phosphate buffer and carbonate buffer) at 37°C.
  • the degradation medium was renewed every 5-7 days.
  • the weight loss of the samples was determined after 16 weeks.
  • the degradation rate is strongly dependent on the pH value of the degradation medium and the network structure of the material system used and can be set accordingly and adapted to the requirements.
  • V2 + H2 The degradation media were examined using 1 H-NMR spectroscopy in order to identify possible degradation products. The cleavage of the Si-OC bond between the organic and inorganic network could be demonstrated. The hydrolytic cleavage of all other predetermined breaking points (ester groups in the exemplary embodiments listed) could also be confirmed by the detection of glycerol in the degradation media.
  • V1 + H1 The degradation media were examined using 1 H-NMR spectroscopy in order to identify possible degradation products. The cleavage of the Si-OC bond between the organic and inorganic network could be demonstrated.
  • the degradable inorganically pre-crosslinked silanes described, for example H1, H2 and/or H3, can be additionally organically crosslinked with the crosslinkers described, for example V1, V2 and/or V3, through the photoreactive groups and thus cured. This enables the processing of the described material in a 3D printer, which is based on the DLP principle. Individual structures can be created.
  • Lucirin-TPO and 0.052 g pyrogallol are dissolved in 16.12 g V3.
  • the material could be processed in a Rapidshape S60-LED 3D printer (DLP process) and the desired shape produced.
  • the shaped body produced in this way is in Fig.1 shown.
  • the example was repeated, with 0.5% by weight of titanium oxide nanoparticles being added as a filler.
  • the porous shaped body produced in this way (in 2 shown) is suitable, for example, as a bone replacement material.
  • LUCIRINO TPO and pyrogallol were dissolved in V3, then H1 was added and mixed homogeneously.
  • the TiO 2 nanoparticles were then incorporated using a speed mixer (DAC 150 FVZ, Hauschild Engineering, Hamm) at 2000 rpm for 3 minutes.
  • the material system was processed in the 3D printer mentioned to form a lattice cube with an edge length of 1 cm and interconnected pores.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neue Silane sowie die Herstellung biodegradierbarer, organisch modifizierbarer Kieselsäurepolykondensate (Harzsysteme) und Polymerisate daraus oder damit. Die erfindungsgemäßen Silane enthalten einen oder mehrere über Sauerstoff an das Silicium gebundene Substituenten mit kurzen oder längeren Kohlenwasserstoffketten, wobei längere Ketten entweder durch hydrolysierbare und/oder enzymatisch oder anderweitig spaltbare Gruppen innerhalb dieser Ketten unterbrochen und/oder derart substituiert sind, dass bei einer Spaltung dieser Gruppen die verbleibenden Kohlenwasserstoffketten wasserlöslich sind. Diese Substituenten enthalten weiterhin Thiol- und/oder Amin-Gruppen. Die Silane lassen sich anorganisch kondensieren und/oder organisch über eine Additionsreaktion mit Verbindungen mit C=C-Doppelbindungen oder Ringen (Resten "X") verknüpfen. Die Umsetzung von Silanen mit mehreren Thiol- und/oder Aminogruppen und von Kondensaten aus den erfindungsgemäßen Silanen mit Verbindungen mit zwei oder mehr C=C-Doppelbindungen und/oder Ringen führt zu Polymerisationsprodukten. Erfindungsgemäß enthalten die Reaktionspartner mit den Resten X ebenfalls kurze oder längere Kohlenwasserstoffketten, wobei längere Ketten entweder durch hydrolysierbare und/oder enzymatisch oder anderweitig spaltbare Gruppen innerhalb dieser Ketten unterbrochen und/oder derart substituiert sind, dass bei einer Spaltung dieser Gruppen die verbleibenden Kohlenwasserstoffketten wasserlöslich sind. Es kann sich bei ihnen um rein organische Materialien (Monomere oder Oligomere) oder um kondensierte silanbasierte Systeme handeln. Die Additionsreaktion bzw. Polyaddition/ Polymerisation von Thiol- bzw. Amin- und En/Ringöffnender-Komponente kann beispielsweise thermisch oder redoxinduziert oder durch die Bestrahlung mit sichtbarem und/oder UV-Licht durchgeführt werden. Somit ergeben sich als mögliche Verarbeitungsprozesse zur Herstellung strukturierter Materialien z.B. die 2- bzw. Multi-Photonen-Polymerisation (2PP; MPP), das Digital Light Processing Verfahren (DLP), die Stereolithografie (STL), das Multi Jet Modelling (MSM), das Poly Jet Printing (PJP), Ink Jet, UV-Lithographie, Nanoimprint und Siebdruck. Die so erhaltenen Materialien und großenteils auch ihre Vorstufen sind stabil gegenüber einer Bestrahlung mit γ-Strahlen so dass sie sterilisierfähig sind. Durch Variation des Anteils an anorganisch vernetzbaren Einheiten und/oder an organisch polymerisierbaren/polyaddierbaren Einheiten lassen sich die mechanischen Eigenschaften der aus den Silanen erzeugten Hybridpolymere gezielt so einstellen, dass sie denjenigen natürlicher, weicher oder harter Gewebe ähneln. Sie lassen sich von Zelltypen wie Endothelzellen besiedeln und eignen sich daher z.B. als Scaffolds zur Stabilisierung und Züchtung von Zellen bzw. Gewebe. Die Hybridpolymere werden bei Lagerung in Puffern innerhalb weniger Wochen mehr oder weniger stark zersetzt, wobei toxisch unbedenkliche, meist wasserlösliche, kleinteilige Abbauprodukte entstehen.The present invention relates to new silanes and the production of biodegradable, organically modifiable silicic acid polycondensates (resin systems) and polymers thereof or therewith. The silanes according to the invention contain one or more substituents bonded to the silicon via oxygen and having short or longer hydrocarbon chains, with longer chains being interrupted either by hydrolyzable and/or enzymatically or otherwise cleavable groups within these chains and/or substituted in such a way that when they are cleaved Groups the remaining hydrocarbon chains are water soluble. These substituents also contain thiol and/or amine groups. The silanes can be condensed inorganically and/or linked organically via an addition reaction with compounds having C=C double bonds or rings (“X” radicals). The reaction of silanes with several thiol and/or amino groups and of condensates of the silanes according to the invention with compounds with two or more CC double bonds and/or rings leads to polymerization products. According to the invention, the reaction partners with the radicals X also contain short or longer hydrocarbon chains, with longer chains being interrupted either by hydrolyzable and/or enzymatically or otherwise cleavable groups within these chains and/or substituted in such a way that when these groups are cleaved, the remaining hydrocarbon chains are water-soluble . They can be purely organic materials (monomers or oligomers) or condensed silane-based systems. The addition reaction or polyaddition/polymerization of thiol or amine and ene/ring-opening component can be carried out, for example, thermally or redox-induced or by irradiation with visible and/or UV light. This results in possible processing methods for the production of structured materials, e.g. 2 or multi-photon polymerization (2PP; MPP), the digital light processing method (DLP), stereolithography (STL), multi-jet modeling (MSM), Poly Jet Printing (PJP), Ink Jet, UV Lithography, Nanoimprint and Screen Printing. The materials obtained in this way and to a large extent also their precursors are stable to irradiation with γ-rays, so that they can be sterilized. By varying the proportion of inorganically crosslinkable units and/or of organically polymerizable/polyaddable units, the mechanical properties of the hybrid polymers produced from the silanes can be specifically adjusted so that they resemble those of natural, soft or hard tissue. They can be colonized by cell types such as endothelial cells and are therefore suitable, for example, as scaffolds for stabilizing and growing cells or tissue. When stored in buffers, the hybrid polymers decompose to a greater or lesser extent within a few weeks, with the formation of toxically harmless, mostly water-soluble, small-scale degradation products.

Aufgrund der steigenden Lebenserwartung der Menschen in Deutschland und der daraus resultierenden Unterversorgung mit benötigten Spenderorganen werden dringend Alternativen zur Organtransplantation von Spender zu Empfänger benötigt. Schon in den 1990er Jahren kam die Idee für das sogenannte Tissue Engineering auf. Dieses interdisziplinäre Feld hat sich zum Ziel gesetzt, die Funktion geschädigten Gewebes zu verbessern oder zu ersetzen, um idealerweise ganze Ersatzorgane und -gewebe aus patienteneigenem Material zu züchten. Damit Zellen außerhalb des Körpers funktionierende dreidimensionale Strukturen bilden, benötigen sie eine unterstützende Matrix, die beim Tissue Engineering durch künstliche Gerüststrukturen (englisch: scaffolds) realisiert wird. Diese kann entweder in-vitro mit Zellen besiedelt werden, die dann wachsen, sich vermehren und schließlich Gewebe bilden, welches anschließend transplantiert wird, oder aber direkt im Körper an der zu behandelnden Stelle verwendet werden, um das Nachwachsen des umliegenden Gewebes zu unterstützen. In beiden Fällen ist es von Vorteil, wenn sich das Scaffold mit der Zeit zersetzt und so Platz für die Gewebebildung schafft. Aus diesem Grund werden vorwiegend Materialien gesucht, die mit der Zeit vom Körper abgebaut und ausgeschieden werden. Neben dem Tissue Engineering werden biodegradierbare Polymere auch als Wirkstofffreisetzungssysteme (drug delivery) für Langzeitmedikationen, resorbierbare Nahtmaterialien oder Implantate z. B. zur Fixierung nach Knochenbrüchen verwendet.Due to the increasing life expectancy of people in Germany and the resulting undersupply of required donor organs, alternatives to organ transplantation from donor to recipient are urgently needed. Already in the 1990s the idea for so-called tissue engineering came up. This interdisciplinary field has set itself the goal of improving or replacing the function of damaged tissue, ideally in order to grow entire replacement organs and tissue from the patient's own material. In order for cells to form functioning three-dimensional structures outside the body, they need a supporting matrix, which is realized in tissue engineering using artificial scaffold structures. This can either be seeded in vitro with cells, which then grow, multiply and ultimately form tissue that is then transplanted, or used directly in the body at the site to be treated to support regrowth of the surrounding tissue. In both cases, it is advantageous if the scaffold degrades over time, making room for tissue formation. For this reason, materials are primarily sought that are broken down and excreted by the body over time. In addition to tissue engineering, biodegradable polymers are also used as drug delivery systems for long-term medication, resorbable sutures or implants, e.g. B. used for fixation after fractures.

Die bisher verwendeten biodegradierbaren Polymere sind allerdings nicht frei von Nachteilen. Natürliche Polymere sind sehr teuer, haben keine einstellbaren Abbauraten und nur begrenzt anpassbare mechanische Eigenschaften. Außerdem können sie Abwehrreaktionen des Körpers provozieren und/oder bieten keine gute Zelladhäsion, die für die Gewebebildung nötig ist. Einige Vertreter, wie PLA und PGA, werden zu sauren Produkten wie z. B. Milch- und Glykolsäure hydrolysiert, die den weiteren Polymerabbau zusätzlich katalysieren (Autokatalyse), weshalb er nur schwer vorhersagbar ist. Ferner können diese Produkte auch Entzündungsreaktionen verursachen.However, the biodegradable polymers used to date are not free from disadvantages. Natural polymers are very expensive, have no tunable degradation rates, and only limited mechanical properties that can be tuned. In addition, they can provoke defensive reactions of the body and/or do not provide good cell adhesion, which is necessary for tissue formation. Some species, such as PLA and PGA, become acidic products such as B. lactic and glycolic acid hydrolyzed, which also catalyze the further polymer degradation (autocatalysis), which is why it is difficult to predict. Furthermore, these products can also cause inflammatory reactions.

Zur Herstellung von Scaffolds gibt es zahlreiche Verfahren. Zur Herstellung hochkomplexer Strukturen können heute dreidimensionale Objekte mit Hilfe eines Computer-generierten Designs (computer-aided designs, CAD) aus mehreren Schichten aufgebaut werden. Verfahren, die sich diese Technik zu Nutze machen, werden als Rapid Prototyping- oder Solid Free-Form-Verfahren bezeichnet. Mit diesen Methoden können anatomisch angepasste Scaffolds auf Grundlage von Computer-Tomographie (CT)- oder Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT)-Daten erzeugt werden. Häufig angewendet wird die Stereolithographie. Bei dieser Technik wird eine Photopolymerisation durch elektromagnetische Strahlung initiiert. Ein Spezialfall der Stereolithographie ist die Zwei-Photonen-Polymerisation (two photon polymerization, 2PP). Mit dieser Technik können ultrafeine Strukturen bei hoher Auflösung erzeugt werden.There are numerous methods for producing scaffolds. In order to produce highly complex structures, three-dimensional objects can now be built up from several layers with the aid of computer-generated designs ( computer-aided designs , CAD). Processes that make use of this technique are referred to as rapid prototyping or solid free-form processes. With these methods, anatomically adapted scaffolds can be generated based on computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) data. Stereolithography is often used. In this technique, photopolymerization is initiated by electromagnetic radiation. A special case of stereolithography is two -photon polymerization (2PP). With this technique, ultra-fine structures can be generated with high resolution.

Zur adäquaten Nachahmung der ECM (der extrazellulären Matrix) für das Tissue Engineering sind aus chemischer Sicht Scaffolds aus Biopolymeren, die mittels 2PP erzeugt wurden, gut geeignet. Bei der Verwendung abbaubarer Scaffoldmaterialien besteht durch die Zerlegung des Gerüsts zusätzlich die Möglichkeit, Raum für die Zellmigration und -expansion zu schaffen.To adequately mimic the ECM (the extracellular matrix) for tissue engineering , scaffolds of biopolymers generated by 2PP are good from a chemical point of view suitable. When using degradable scaffold materials, dismantling the scaffold also offers the opportunity to create space for cell migration and expansion.

Schon seit Längerem werden für die Medizintechnik verwendbare Materialien gesucht, die sich gezielt strukturieren lassen und die trotz dabei erfolgter Polymerisation organischer Gruppen, insbesondere von (Methacrylat- und anderen) C=C-Doppelbindungen biodegradierbar sind. Unter anderem wurden hierfür bioabbaubare organisch polymerisierbare Hybridpolymere in Betracht gezogen. Hierbei handelt es sich in der Regel um Abwandlungen bekannter ORMOCER®e, d.h. von hydrolytisch kondensierten Silanverbindungen, die organisch vernetzbare Gruppen tragen. Manche derartige ORMOCER®e sind bereits als inhärent biokompatibel beschrieben worden. Von Hybridmaterialien, die unter physiologischen Bedingungen zumindest teilweise auch bioabbaubar sind, wurde ebenfalls bereits berichtet. R. Houbertz et al. zeigten in Coherence and Ultrashort Pulse Laser Emission, 2010, 583 und in WO 2011/098460 A1 biokompatible, durch 2PP strukturierbare Materialien. Diese enthalten entweder über Si-C-Bindungen angebundene Reste, die organisch polymerisierbare Gruppen tragen, oder sie werden aus einem Gemisch von Silanen mit Si-C-gebundenen, organisch polymerisierbaren Resten und organisch polymerisierbaren Verbindungen erzeugt. Es wurde gezeigt, dass diese Materialien bis zu einem gewissen Grad biologisch auf hydrolytischem Wege abbaubar sind und von Zellen besiedelt werden können.Materials that can be used in medical technology have been sought for a long time, which can be structured in a targeted manner and which are biodegradable despite the polymerization of organic groups that has taken place, in particular of (methacrylate and other) C=C double bonds. Among other things, biodegradable organically polymerizable hybrid polymers were considered for this purpose. These are usually modifications of known ORMOCER ® s, ie hydrolytically condensed silane compounds that carry organically crosslinkable groups. Some such ORMOCER ® s have already been described as inherently biocompatible. Hybrid materials that are at least partially biodegradable under physiological conditions have also been reported. R.Houbertz et al. showed in Coherence and Ultrashort Pulse Laser Emission, 2010, 583 and in WO 2011/098460 A1 biocompatible materials that can be structured by 2PP. These either contain residues attached via Si-C bonds which carry organically polymerizable groups, or they are produced from a mixture of silanes with Si-C-bonded, organically polymerizable residues and organically polymerizable compounds. These materials have been shown to be to some extent hydrolytically biodegradable and capable of being colonized by cells.

Obel et al. konnten durch die Einführung einer hydrolytisch spaltbaren Si-O-C-Bindung die polymerisierbare Gruppen enthaltenden organischen Reste derart in die Hybridpolymerstruktur integrieren, dass nach der Polymerisation ein weitreichend degradierbares Material erhalten wird. Wie sich anhand von Beispielen der WO 2016/037871 A1 ergibt, erleiden solche strukturierten Materialien in Wasser wie auch in Puffern wie PBS einen Gewichtsverlust. Mittels NMR-Spektroskopie konnte die hydrolytische Spaltung der Struktur an allen spaltbaren Stellen und damit die Degradation des Materials nachgewiesen werden. Die teildegradierbaren Materialien können von Zellen besiedelt werden.Obel et al. were able to integrate the organic residues containing polymerizable groups into the hybrid polymer structure by introducing a hydrolytically cleavable Si-OC bond in such a way that a largely degradable material is obtained after polymerization. As can be seen from examples of WO 2016/037871 A1 results, such structured materials suffer weight loss in water as well as in buffers such as PBS. Using NMR spectroscopy, the hydrolytic cleavage of the structure at all cleavable points and thus the degradation of the material could be demonstrated. The partially degradable materials can be colonized by cells.

Die organische Vernetzung der Materialien erfolgt gemäß WO 2016/037871 A1 in der Regel durch den Aufbau von Polymethacrylat-Ketten. Diese werden bei der hydrolytischen Spaltung der Materialien nicht abgebaut und verbleiben daher im Abbauprodukt.The organic crosslinking of the materials takes place according to WO 2016/037871 A1 usually through the construction of polymethacrylate chains. These are not broken down during the hydrolytic splitting of the materials and therefore remain in the breakdown product.

EP 0 779 890 A1 offenbart Silane, worin Reste mit mindestens einem Kohlenstoffatom mit dem Siliziumatom verbunden sind, und ihre Verwendung zur Herstellung von organisch modifizierten Kieselsäurepolykondensaten. EP 0 779 890 A1 discloses silanes in which radicals having at least one carbon atom are attached to the silicon atom and their use in the preparation of organically modified silicic acid polycondensates.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, vernetzbare und vernetzte Materialien bereit zu stellen, die einerseits einer engeren Vernetzung zugänglich sind bzw. enger vernetzt sind als rein organische Materialien und daher mechanische Eigenschaften erreichen können, die sich im Wesentlichen nur mit siliciumhaltigen Hybridmaterialien einstellen lassen, die sich andererseits jedoch unter physiologischen Bedingungen vollständiger abbauen lassen als die bisher bekannten Hybridmaterialien, wobei insbesondere das Vorhandensein von längeren, schlecht spaltbaren und damit schlecht abbaubaren Kettenstrukturen wie Polymethacrylatketten vermieden werden soll. Auch sollen die erfindungsgemäßen Materialien nach Möglichkeit sterilisierbar und biokompatibel sein, so dass sie sich für die Herstellung von Implantaten oder Scaffolds eignen.The object of the present invention is to provide crosslinkable and crosslinked materials which, on the one hand, are accessible to a closer crosslinking or are more closely crosslinked than purely organic materials and can therefore achieve mechanical properties that can essentially only be adjusted with silicon-containing hybrid materials that on the other hand, however, can be more completely degraded under physiological conditions than the previously known hybrid materials, in particular the presence of longer, poorly cleavable and thus poorly degradable chain structures such as polymethacrylate chains should be avoided. If possible, the materials according to the invention should also be sterilizable and biocompatible, so that they are suitable for the production of implants or scaffolds.

Figur 1 zeigt einen mit Hilfe des Digital Light Processing (DLP-Verfahren) gedruckten 3D-Formkörper aus einem erfindungsgemäßen Material. Figur 2 zeigt einen nach demselben Verfahren gedruckten, porösen Formkörper, ebenfalls aus erfindungsgemäßem Material. figure 1 shows a 3D shaped body made of a material according to the invention and printed with the aid of Digital Light Processing (DLP method). figure 2 shows a porous molding printed by the same method, also made of material according to the invention.

Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.The present invention is defined in the appended claims.

Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Silan der Formel (1)

        R1 aSiR4-a     (1)

  • bereit, wobei
  • die Gruppe R1 oder jede der Gruppen R1 unabhängig voneinander
    • über ein Sauerstoffatom an das Silicium gebunden ist,
    • eine geradkettige oder verzweigte kohlenwasserstoffhaltige Kette mit mehreren Strukturelementen aufweist, die jeweils nicht mehr als 8 aufeinander folgende Kohlenstoffatome besitzen, wobei die kohlenwasserstoffhaltige Kette aus Alkyleneinheiten aufgebaut ist, deren Glieder unsubstituiert oder substituiert sind, wobei die Substituenten unter Hydroxy-, Carbonsäure-, Phosphat-, Phosphonsäure-, Phosphorsäureester-, tertiären Aminogruppen und Aminosäuregruppen ausgewählt sind, und die kohlenwasserstoffhaltige Kette innerhalb der einzelnen Elemente weiterhin durch Sauerstoffatome, Schwefelatome oder Sulfonylgruppen unterbrochen sein kann, wobei jedes der Strukturelemente der kohlenwasserstoffhaltigen Kette durch eine Estergruppe als spaltbare Gruppe vom nächsten Strukturelement getrennt ist,
    • mindestens eine Thiol- oder eine primäre oder sekundäre Aminogruppe aufweist,
  • die Gruppe R oder jede der Gruppen R unabhängig voneinander eine hydrolytisch kondensierbare Gruppe ist, die unter Alkyl-COO-, Alkyl-O- und HO- ausgewählt ist, und
  • a 1, 2, 3 oder 4 ist.
In particular, the present invention provides a silane of formula (1)

R1a SiR4 -a (1)

  • ready, whereby
  • the group R 1 or each of the groups R 1 independently
    • is bonded to the silicon via an oxygen atom,
    • has a straight-chain or branched hydrocarbon-containing chain with a plurality of structural elements, each of which has no more than 8 consecutive carbon atoms, the hydrocarbon-containing chain being composed of alkylene units whose members are unsubstituted or substituted, the substituents being hydroxy, carboxylic acid, phosphate , Phosphonic acid, phosphoric acid ester, tertiary amino groups and amino acid groups are selected, and the hydrocarbon-containing chain within the individual elements can also be interrupted by oxygen atoms, sulfur atoms or sulfonyl groups, each of the structural elements of the hydrocarbon-containing chain being separated from the next structural element by an ester group as a cleavable group is,
    • has at least one thiol or one primary or secondary amino group,
  • the group R or each of the groups R is independently a hydrolytically condensable group selected from alkyl-COO-, alkyl-O- and HO-, and
  • a is 1, 2, 3 or 4.

Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein organisch modifiziertes Kieselsäurepolykondensat, umfassend ein hydrolytisches Kondensationsprodukt eines erfindungsgemäßen Silans oder einer Mischung mehrerer dieser Silane, bereit.In addition, the present invention provides an organically modified silicic acid polycondensate comprising a hydrolytic condensation product of a silane according to the invention or a mixture of several of these silanes.

Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein organisch modifiziertes, polymerisiertes Kieselsäurepolykondensat, herstellbar durch Umsetzen des erfindungsgemäßen Silans und/oder eines erfindungsgemäßen, organisch modifizierten Kieselsäurepolykondensates mit einer Verbindung R2(X)b (2) bereit, worin die Gruppe R2 ein b-fach bindiges Kohlenwasserstoffgerüst mit einer geradkettigen oder verzweigten, kohlenwasserstoffhaltigen Kette mit einem oder mehreren Strukturelementen aufweist, die jeweils nicht mehr als 8 aufeinander folgende Kohlenstoffatome besitzen, wobei jedes von mehreren Strukturelementen der kohlenwasserstoffhaltigen Kette durch eine spaltbare Gruppe vom nächsten Strukturelement getrennt ist, wobei die spaltbaren Gruppen ausgewählt sind unter Ester-, Anhydrid-, Amid-, Carbonat-, Carbamat-, Ketal-, Acetal-, Disulfid-, Imin-, Hydrazon- und Oxim-Gruppen, X eine Gruppe ist, die bei der genannten Umsetzung mit der mindestens einen Thiol-oder primären oder sekundären Aminogruppe des Restes R1 des Silans der Formel (1) eine Additionsreaktion eingeht, und b 2, 3, 4 oder größer 4 ist.In addition, the present invention provides an organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, which can be prepared by reacting the silane according to the invention and/or an organically modified silicic acid polycondensate according to the invention with a compound R 2 (X) b (2), in which the group R 2 has a b-fold binding Hydrocarbon skeleton having a straight or branched hydrocarbon-containing chain having one or more structural elements each having not more than 8 consecutive carbon atoms, each of several structural elements of the hydrocarbon-containing chain being separated from the next structural element by a cleavable group, the cleavable groups being selected are under ester, anhydride, amide, carbonate, carbamate, ketal, acetal, disulfide, imine, hydrazone and oxime groups, X is a group which in said reaction with the at least one Thiol or primary or secondary amino group of the radical R 1 of the silane of formula (1) undergoes an addition reaction, and b is 2, 3, 4 or greater than 4.

Außerdem stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen, organisch modifizierten, polymerisierten Kieselsäurepolykondensats in Gestalt eines Formkörpers als biologisch oder medizinisch verwendbarer Gegenstand oder als Gegenstand zur Zell- oder Gewebestabilisierung oder zur Zell- oder Gewebezüchtung bereit.In addition, the present invention provides the use of the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate according to the invention in the form of a shaped body as a biologically or medically useful object or as an object for cell or tissue stabilization or for cell or tissue cultivation.

Die Thiol- oder primäre oder sekundäre Aminogruppe ist eine polyaddierbare Gruppe.The thiol or primary or secondary amino group is a polyaddable group.

Vorzugsweise besteht in dem Silan der Formel (1) mindestens eine oder jede der Gruppen R1 ausschließlich aus organischen Komponenten.Preferably, in the silane of formula (1), at least one or each of the groups R 1 consists exclusively of organic moieties.

Vorzugsweise befinden sich in dem Silan der Formel (1) die mindestens eine Thiol- oder primäre oder sekundäre Aminogruppe am dem Silicium abgewandten Ende der Gruppe R1, oder, im Falle verzweigter Ketten, mindestens an einem dem Silicium abgewandten Ende der Gruppe R1.In the silane of formula (1), the at least one thiol or primary or secondary amino group is preferably located at the non-silicon end of the R 1 group, or, in the case of branched chains, at least at one non-silicon end of the R 1 group.

Die Anzahl der Elemente mit den Merkmalen (a) und (b) in einer Gruppe R1 ist vorzugsweise zwei bis zehn, stärker bevorzugt zwei bis sechs.The number of elements having features (a) and (b) in a group R 1 is preferably two to ten, more preferably two to six.

Vorzugsweise besitzt in dem Silan der Formel (1) mindestens eines der Elemente des Kohlenwasserstoffgerüstes des Restes R1 maximal sechs, bevorzugt nicht mehr als vier und besonders bevorzugt nicht mehr als drei aufeinander folgende Kohlenstoffatome. Besonders bevorzugt ist, dass alle Elemente des Kohlenwasserstoffgerüstes des Restes R1 maximal drei aufeinander folgende Kohlenstoffatome aufweisen. Dies kann für alle Reste R1 gelten, so dass in den Resten R1 in dem Silan ausschließlich Elemente des Kohlenwasserstoffgerüstes mit maximal drei aufeinander folgenden Kohlenstoffatomen vorhanden sind.In the silane of the formula (1), at least one of the elements of the hydrocarbon skeleton of the radical R 1 preferably has a maximum of six, preferably not more than four and particularly preferably not more than three consecutive carbon atoms. It is particularly preferred that all elements of the hydrocarbon skeleton of the radical R 1 have a maximum of three consecutive carbon atoms. This can apply to all R 1 radicals, so that only elements of the hydrocarbon structure with a maximum of three consecutive carbon atoms are present in the R 1 radicals in the silane.

Vorzugsweise ist in dem Silan der Formel (1) jede Gruppe R eine hydrolytisch kondensierbare Gruppe und/oder Alkyl, mit der Maßgabe, dass mindestens eine Gruppe R eine hydrolytisch kondensierbare Gruppe ist und nicht mehr als eine Gruppe R eine Alkylgruppe ist.Preferably, in the silane of formula (1), each R group is a hydrolytically condensable group and/or alkyl, provided that at least one R group is a hydrolytically condensable group and no more than one R group is an alkyl group.

Vorzugsweise ist in dem Silan der Formel (1) a gleich 2 oder, bei einer Mischung mehrerer solcher Silane, durchschnittlich etwa 2.Preferably, in the silane of formula (1), a is 2 or, when a plurality of such silanes are mixed, an average of about 2.

In dem organisch modifizierten, polymerisierten Kieselsäurepolykondensat besitzt das Element oder mindestens eines der Elemente der kohlenwasserstoffhaltigen Kette des Restes R2 bevorzugt maximal sechs, stärker bevorzugt nicht mehr als vier und besonders bevorzugt nicht mehr als drei aufeinander folgende Kohlenstoffatome.In the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, the element or at least one of the elements of the hydrocarbon-containing chain of the radical R 2 preferably has a maximum of six, more preferably no more than four and particularly preferably no more than three consecutive carbon atoms.

Die Verbindung (2) enthält vorzugsweise kein Silizium.The compound (2) preferably contains no silicon.

Die Anzahl der Elemente in einer Gruppe R2 ist vorzugsweise zwei bis zehn, stärker bevorzugt zwei bis sechs.The number of elements in a group R 2 is preferably two to ten, more preferably two to six.

Die Edukte der Umsetzung, also das Silan oder das Polykondensat einerseits und die Verbindung R2(X)b andererseits, können in beliebigen Mengenverhältnissen zueinander eingesetzt werden. Die Verbindung R2(X)b kann im stöchiometrischen Unterschuss oder Überschuss zu dem Silan oder dem Polykondensat oder in gleicher Menge, bezogen auf die miteinander reagierenden Gruppen, eingesetzt werden. Wird beispielsweise eine vollständige Umsetzung der polyaddierbaren Gruppen, z. B. der Thiolgruppen, in dem Silan oder Polykondensat gewünscht, kann die Verbindung R2(X)b im Überschuss zugegeben werden. Wird aber beispielsweise keine vollständige Umsetzung der polyaddierbaren Gruppen, z. B. der Thiolgruppen, in dem Silan oder Polykondensat gewünscht, kann die Verbindung R2(X)b im Unterschuss zugegeben werden. Auf diese Weise wird ein Teil der polyaddierbaren Gruppen nicht umgesetzt und kann dann zum späteren Anbinden von Molekülen, z. B. Enzymen, dienen oder durch die Polarität der Gruppen auch nur beispielsweise die Löslichkeit in einem Medium erhöhen.The reactants of the reaction, ie the silane or the polycondensate on the one hand and the compound R 2 (X) b on the other hand, can be used in any ratio to one another. The compound R 2 (X) b can be used in the stoichiometric excess or in excess of the silane or the polycondensate, or in the same amount, based on the groups that react with one another. If, for example, a complete implementation of the polyaddable groups, e.g. B. the thiol groups, desired in the silane or polycondensate, the compound R 2 (X) b can be added in excess. However, if, for example, no complete implementation of the polyaddable groups, e.g. B. the thiol groups, desired in the silane or polycondensate, the compound R 2 (X) b can be added in deficit. In this way, some of the polyaddable groups are not converted and can then be used for later attachment of molecules, e.g. B. enzymes, or only increase the solubility in a medium by the polarity of the groups, for example.

In einer Ausführungsform sind in dem organisch modifizierten, polymerisierten Kieselsäurepolykondensat nicht umgesetzte polyaddierbare Gruppen des Silans oder Polykondensats vorhanden, z. B. Thiolgruppen.In one embodiment, unreacted polyaddable groups of the silane or polycondensate are present in the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, e.g. B. thiol groups.

In einer anderen Ausführungsform sind in dem organisch modifizierten, polymerisierten Kieselsäurepolykondensat alle polyaddierbaren Gruppen des Silans oder Polykondensats, z. B. Thiolgruppen, umgesetzt worden.In another embodiment, in the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, all polyaddable groups of the silane or polycondensate, e.g. B. thiol groups have been implemented.

Die Verbindung R2(X)b dient als Vernetzer und ist somit vorzugsweise ein kleines Molekül. Das Molekulargewicht ist vorzugsweise höchstens 3000 g/mol, stärker bevorzugt höchstens 2000 g/mol und am stärksten bevorzugt höchstens 1000 g/mol. In bestimmten Ausführungsformen hat die Verbindung ein Molekulargewicht von höchstens 500 g/mol.The compound R 2 (X) b serves as a crosslinker and is thus preferably a small molecule. The molecular weight is preferably at most 3000 g/mol, more preferably at most 2000 g/mol and most preferably at most 1000 g/mol. In certain embodiments, the compound has a molecular weight of at most 500 g/mol.

Vorzugsweise enthält diese niedermolekulare Verbindung R2(X)b kein Silizium.This low molecular weight compound R 2 (X) b preferably contains no silicon.

Bevorzugt ist ein organisch modifiziertes, polymerisiertes Kieselsäurepolykondensat, worin die siliziumfreie Verbindung R2(X)b ein Molekulargewicht von höchstens 3000 g/mol aufweist und das Verhältnis der Gruppen X der Verbindung (2) zu der Summe der Thiol- und Aminogruppen in den Silanen (1) und Kondensationsprodukten davon 0,1 bis unter 1,0 ist.An organically modified, polymerized silicic acid polycondensate is preferred, in which the silicon-free compound R 2 (X) b has a molecular weight of at most 3000 g/mol and the ratio of the groups X of the compound (2) to the sum of the thiol and amino groups in the silanes (1) and condensation products thereof is from 0.1 to below 1.0.

Das erfindungsgemäße organisch modifizierte, polymerisierte Kieselsäurepolykondensat kann weiterhin mindestens einen Füllstoff, vorzugsweise ausgewählt unter Tricalciumphosphat-, Hydroxylapatit-, Bioglas- und Magnesium-Partikeln enthalten.The organically modified, polymerized silicic acid polycondensate according to the invention can also contain at least one filler, preferably selected from tricalcium phosphate, hydroxyapatite, bioglass and magnesium particles.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem Gegenstand der WO 2016/037881 A1 . In dem Verfahren der WO 2016/037881 A1 sind die C=C-Doppelbindungen in dem Silan bzw. dem Polykondensat enthalten. Solche C=C-Doppelbindungen sind z. B. in Acrylaten enthalten. Bei der Umsetzung mit einem Thiol muss das Thiol im Überschuss eingesetzt werden, damit kein nicht-umgesetztes und damit toxisches Acrylat übrigbleibt. Nach der Reaktion muss das überschüssige Thiol ausgewaschen werden. In der vorliegenden Erfindung ist dagegen das Thiol in dem Silan bzw. dem Polykondensat enthalten. Wird der acrylathaltige Vernetzer im Unterschuss zugegeben, wird er vollständig umgesetzt. Ein nachfolgendes Entfernen von nichtumgesetztem Vernetzer ist nicht erforderlich.The present invention differs from the subject matter of WO 2016/037881 A1 . In the process of WO 2016/037881 A1 the C=C double bonds are contained in the silane or the polycondensate. Such C = C double bonds are z. B. contained in acrylates. When reacting with a thiol, the thiol must be used in excess so that no unreacted and therefore toxic acrylate remains. After the reaction, the excess thiol must be washed out. In contrast, in the present invention, the thiol is contained in the silane or the polycondensate. If the acrylate-containing crosslinker is added in deficit, it is completely converted. Subsequent removal of unreacted crosslinker is not required.

Aufgrund dieser grundlegenden Unterschiede ergeben sich die nachfolgenden Vorteile (1) bis (7) der vorliegenden Erfindung:

  1. (1) In dem Verfahren der WO 2016/037871 A1 muss das Thiol im Überschuss zugegeben werden, damit toxisches Acrylat vollständig umgesetzt wird. Dadurch ist das Verfahren der WO 2016/037871 A1 grundsätzlich eingeschränkt. Diese Einschränkung gilt für die vorliegende Erfindung nicht.
  2. (2) Da Thiol nicht im Überschuss zugegeben werden muss, entfällt das Entfernen des überschüssigen Thiols nach der Reaktion.
  3. (3) Durch Einsatz eines Unterschusses an Vernetzer, z. B. Acrylat, kann eine unerwünschte intramolekulare Vernetzung vermieden werden.
  4. (4) Die Reaktionsreihenfolge von Kondensation und nachfolgender Polymerisation ist im Vergleich zu WO 2016/037871 A1 weniger eingeschränkt. Wenn zuerst kondensiert und dann polymerisiert wird, werden aufgrund von sterischen Behinderungen möglicherweise nicht alle im Polykondensat enthaltenen polymerisierbaren Gruppen umgesetzt. Im Fall der vorliegenden Erfindung ist dies jedoch nicht problematisch, da die im Polykondensat enthaltene polyaddierbare Gruppe ein nicht-toxisches Thiol ist, während es im Fall von WO 2016/037871 A1 ein toxisches Acrylat sein kann.
  5. (5) Als Vernetzer kann in der vorliegenden Erfindung auch eine voluminöse cyclische Gruppe, die C=C-Doppelbindungen enthält, eingesetzt werden. Umgekehrt wäre eine solche voluminöse cyclische Gruppe als Bestandteil eines Polykondensats aus sterischen Gründen problematisch und würde zudem die Viskosität übermäßig erhöhen.
  6. (6) Wenn der acrylathaltige Vernetzer im Unterschuss zugegeben wird, verbleiben in dem Polykondensat nicht-umgesetzte Thiole. Diese können die Polarität und damit die Kompatibilität mit einem wässrigen Medium erhöhen, oder sie können eine geeignete Funktionalisierung darstellen, um weitere Gruppen, z. B. bioaktive Subtanzen wie Enzyme, an das fertige Produkt, also das polymerisierte Polykondensat, zu binden.
  7. (7) In der vorliegenden Erfindung kann als Ausgangsverbindung Siliciumtetraacetat eingesetzt werden. Die Verwendung dieser Verbindung führt bei der organischen Modifizierung zu einer nahezu vollständigen Umesterung und ist daher vorteilhaft. Die hydrolytische Kondensation wird dann im Gegensatz zum Stand der Technik bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 90 °C, durchgeführt (vgl. Beispiel C), um aus dem Siliciumtetraacetat die Acetatgruppen vollständig abzuspalten. Dies ist vorteilhaft, da verbleibende Acetatgruppen sauer reagieren und damit zelltoxisch sind. Die Verwendung von Siliciumtetraacetat ist also nur möglich, wenn die hydrolytische Kondensation bei erhöhter Temperatur erfolgen kann. Da Acrylate, welche temperaturempfindlich sind, nicht in den Silanen, sondern im Vernetzer enthalten sind, kann die hydrolytische Kondensation bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu sind in den Silanen des Standes der Technik Acrylate enthalten, wodurch der Einsatz einer erhöhten Temperatur und damit die Verwendung von Siliciumtetraacetat ausgeschlossen sind.
These fundamental differences result in the following advantages (1) to (7) of the present invention:
  1. (1) In the proceedings of WO 2016/037871 A1 the thiol must be added in excess so that the toxic acrylate is completely converted. As a result, the procedure is WO 2016/037871 A1 basically restricted. This limitation does not apply to the present invention.
  2. (2) Since thiol does not have to be added in excess, there is no need to remove the excess thiol after the reaction.
  3. (3) By using a deficit of crosslinkers, e.g. B. acrylate, unwanted intramolecular crosslinking can be avoided.
  4. (4) The reaction order of condensation and subsequent polymerization is compared to WO 2016/037871 A1 less restricted. When condensing first and then polymerizing, not all of the polymerizable groups contained in the polycondensate may be reacted due to steric hindrances. In the case of the present invention, however, this is not a problem since the polyaddable group contained in the polycondensate is a non-toxic thiol, while in the case of WO 2016/037871 A1 can be a toxic acrylate.
  5. (5) As a crosslinking agent in the present invention, a bulky cyclic group containing C=C double bonds can also be used. Conversely, such a bulky cyclic group as part of a polycondensate would be problematic for steric reasons and would also increase the viscosity excessively.
  6. (6) If the acrylate-containing crosslinker is added in deficit, unreacted thiols remain in the polycondensate. These can increase polarity and thus compatibility with an aqueous medium, or they can provide suitable functionalization display to show other groups, e.g. B. bioactive substances such as enzymes to bind to the finished product, ie the polymerized polycondensate.
  7. (7) In the present invention, silicon tetraacetate can be used as the starting compound. The use of this compound leads to almost complete transesterification in the organic modification and is therefore advantageous. In contrast to the prior art, the hydrolytic condensation is then carried out at elevated temperature, for example at 90° C. (cf. example C), in order to completely split off the acetate groups from the silicon tetraacetate. This is advantageous since remaining acetate groups react acidically and are therefore cytotoxic. The use of silicon tetraacetate is therefore only possible if the hydrolytic condensation can take place at elevated temperature. Since acrylates, which are temperature-sensitive, are not contained in the silanes but in the crosslinker, the hydrolytic condensation can be carried out at elevated temperatures. In contrast, the silanes of the prior art contain acrylates, which means that the use of an elevated temperature and thus the use of silicon tetraacetate are ruled out.

In dem Silan der Formel (1) können, sofern a größer 1 ist, die Reste R1 gleich oder verschieden sein. Sofern 4-a größer 1 ist, können die Reste R gleich oder verschieden sein.If a is greater than 1, the radicals R 1 in the silane of the formula (1) can be the same or different. If 4-a is greater than 1, the R radicals can be the same or different.

Die Bindung von R1 an das Siliciumatom kann als Gruppierung C-O-Si oder als C(O)-O-Si ausgestaltet sein. R1 ist damit im ersteren Fall als Alkoxy-, im letzteren Fall als Acyloxyrest anzusprechen.The bond between R 1 and the silicon atom can be configured as a CO-Si group or as a C(O)-O-Si group. R 1 is thus to be addressed in the former case as an alkoxy radical and in the latter case as an acyloxy radical.

Wie oben definiert, darf die kohlenwasserstoffhaltige Kette von R1 nicht mehr als 8 aufeinander folgende Kohlenstoffatome besitzen, vorzugsweise jedoch weniger als 8. Sind es insgesamt 8 oder weniger als 8, so ist das Vorhandensein einer spaltbaren Gruppe optional. Ist die Anzahl größer, so müssen spaltbare Gruppen vorhanden sein, durch die die kohlenwasserstoffhaltigen Kette(n) unterbrochen ist/sind, derart dass nicht mehr als 8, vorzugsweise aber noch weniger Kohlenstoffatome aufeinander folgen. Auch bei insgesamt höchstens 8 Kohlenstoffatomen in der kohlenwasserstoffhaltigen Kette kann diese optional (und bevorzugt) durch spaltbare Gruppen in kleinere Elemente unterteilt sein. Je kürzer das oder die aus Kohlenwasserstoffgruppen aufgebauten Elemente ist/sind, desto besser ist die Abbaubarkeit, weil beim Abbau umso kürzere Bruchstücke entstehen.As defined above, the hydrocarbyl chain of R 1 must have no more than 8 consecutive carbon atoms, preferably less than 8. When the total is 8 or less than 8, the presence of a cleavable group is optional. If the number is greater, there must be cleavable groups which interrupt the hydrocarbon-containing chain(s) in such a way that no more than 8, but preferably even fewer, carbon atoms follow one another. Even with a total of at most 8 carbon atoms in the hydrocarbon-containing chain, this can optionally (and preferably) be subdivided into smaller elements by cleavable groups. The shorter the element or elements made up of hydrocarbon groups, the better the degradability, because the shorter fragments are formed during degradation.

Die kohlenwasserstoffhaltige Kette von R1 ist vorzugsweise aus Alkyleneinheiten aufgebaut. Deren Glieder können, müssen aber nicht, mit einem oder mehreren Substituenten substituiert sein, wobei die Substituenten vorzugsweise ausgewählt sind unter Hydroxy-, Carbonsäure-, Phosphat-, Phosphonsäure-, Phosphorsäureester-, tertiären Aminogruppen und Aminosäuregruppen.The hydrocarbon-containing chain of R 1 is preferably made up of alkylene units. Their members can, but do not have to, be substituted with one or more substituents, the substituents preferably being selected from hydroxy, carboxylic acid, phosphate, phosphonic acid, phosphoric acid ester, tertiary amino groups and amino acid groups.

Die kohlenwasserstoffhaltige Kette von R1 kann innerhalb des einzigen oder der einzelnen Elemente weiterhin durch Sauerstoffatome (Ethergruppen), Schwefelatome (Thioethergruppen) oder Sulfonylgruppen (-S(O)2-) unterbrochen sein.The hydrocarbon-containing chain of R 1 can also be interrupted within the single element or the individual elements by oxygen atoms (ether groups), sulfur atoms (thioether groups) or sulfonyl groups (-S(O) 2 -).

Bei den spaltbaren Gruppen von R1 handelt es sich um Estergruppen.The cleavable groups of R 1 are ester groups.

In einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Silan um ein solches, das zwei oder, im Falle einer Mischung mehrerer Silane, etwa zwei Acylreste pro Silicium und zwei bzw. etwa zwei Reste R1 aufweist.In a first particularly preferred embodiment, the silane is one that has two or, in the case of a mixture of several silanes, about two acyl radicals per silicon and two or about two radicals R 1 .

In einer mit dieser kombinierbaren oder davon unabhängigen Ausführungsform ist der Rest R1 ein mit einer Thiolgruppe substituierter Alkoxyrest mit vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatomen. Die Thiolgruppe kann sich am dem Silicium abgewandten Ende von R1 befinden; stattdessen kann eine nicht-endständige CH2-Gruppe mit der Thiolgruppe substituiert sein, wobei sich dieser Rest vorzugsweise möglichst weit beabstandet vom Siliciumatom befindet.In an embodiment which can be combined with this or is independent thereof, the radical R 1 is an alkoxy radical which is substituted by a thiol group and preferably has 2 to 6 carbon atoms. The thiol group may be at the non-silicon end of R 1 ; instead, a non-terminal CH 2 group can be substituted with the thiol group, this residue preferably being located as far away from the silicon atom as possible.

In einer alternativen, mit der ersten besonders bevorzugten Ausführungsform kombinierbaren oder davon unabhängigen Ausführungsform ist der Rest R1 verzweigtkettig und besitzt zwei Thiolgruppen, die sich vorzugsweise an den dem Silicium abgewandten Enden von R1 befinden.In an alternative embodiment which can be combined with or is independent of the first particularly preferred embodiment, the radical R 1 is branched and has two thiol groups which are preferably located at the ends of R 1 which are remote from the silicon.

In einer weiteren, mit der ersten besonders bevorzugten Ausführungsform kombinierbaren oder davon unabhängigen Ausführungsform ist der Rest R1 geradkettig; seine Kohlenwasserstoffkette besitzt 4 bis 20 Kohlenstoffatome. Diese Kette ist durch eine oder mehrere Estergruppen (-C(O)O-, die in eine beliebige der beiden möglichen Richtungen weisen kann/können) unterbrochen; die dabei gebildeten einzelnen Elemente können weiterhin durch Schwefel- und/oder Sauerstoffatome unterbrochen sein. Eine Thiolgruppe befindet sich vorzugsweise am dem Silicium abgewandten Ende der Kette. Bei dieser Thiolgruppe kann es sich um die einzige oder um eine von mehreren Thiolgruppen am Rest R1 handeln.In a further embodiment which can be combined with or is independent of the first particularly preferred embodiment, the radical R 1 is straight-chain; its hydrocarbon chain has 4 to 20 carbon atoms. This chain is interrupted by one or more ester groups (-C(O)O-, which can point in either of the two possible directions); the individual elements formed in this way can also be interrupted by sulfur and/or oxygen atoms. A thiol group is preferably located at the non-silicon end of the chain. This thiol group can be the only thiol group or one of several thiol groups on the R 1 radical.

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind die voranstehend als bevorzugt genannten Ausführungsformen dahingehend abgewandelt, dass die Thiolgruppen durch Aminogruppen, vorzugsweise primäre Aminogruppen, ersetzt sind. Dabei sei angemerkt, dass diese mit C=C-Gruppen nur dann analog zu einer Thiol-En-Reaktion reagieren, wenn die Doppelbindung des Reaktionspartners in aktivierter Form vorliegt, beispielsweise als Acryl- oder Methacrylgruppe (z.B. als (Meth)acrylatgruppe).In further configurations of the invention, the embodiments mentioned above as preferred are modified in that the thiol groups are replaced by amino groups, preferably primary amino groups. It should be noted that these only react with C=C groups analogously to a thiol-ene reaction if the double bond of the reaction partner is in an activated form, for example as an acrylic or methacrylic group (e.g. as a (meth)acrylate group).

In der Regel wird die Thiol-Addition in Gegenwart eines Initiators durchgeführt, wie aus dem Stand der Technik bekannt, während die Amin-Addition auch ohne Initiator möglich ist.As a rule, the thiol addition is carried out in the presence of an initiator, as is known from the prior art, while the amine addition can also be carried out without an initiator.

Die Silane der Formel (1) sind auf verschiedenen Wegen zugänglich. So können sie beispielsweise hergestellt werden, indem ein Silan der Formel Rx aSiR4-a (3), worin a und R die für Formel (1) angegebenen Bedeutungen besitzen und Rx R3COO- bedeutet, wobei R3 C1-C6-Alkyl, vorzugsweise Methyl ist, mit einer Verbindung R1-OH umgesetzt wird, worin R1 die für Formel (1) angegebene Bedeutung besitzt. Dabei wird/werden je nach eingesetztenThe silanes of the formula (1) can be obtained in various ways. For example, they can be prepared by using a silane of the formula R x a SiR 4-a (3), where a and R are as defined for formula (1) and R x R 3 is COO - where R 3 is C 1 -C 6 -alkyl, preferably methyl, is reacted with a compound R 1 -OH, in which R 1 has the meaning given for formula (1). Depending on the used

Mengenverhältnissen eine oder mehrere der Acylgruppen R3COO- durch R1-O- verdrängt.Amount ratios one or more of the acyl groups R 3 COO - displaced by R 1 -O-.

Günstig ist es, wenn sowohl die Reste Rx als auch die Reste R Acylreste sind, beispielsweise Acetylreste. Bei Zusatz von zwei Mol R1OH pro Mol Silan mit vier Acylresten entsteht eine Mischung mit durchschnittlich zwei Resten R1 pro Silanatom.It is favorable if both the radicals R x and the radicals R are acyl radicals, for example acetyl radicals. The addition of two moles of R 1 OH per mole of silane having four acyl radicals results in a mixture having an average of two R 1 radicals per silane atom.

Die erfindungsgemäßen Silane oder auch Mischungen dieser Silane lassen sich z.B. über eine Hydrolyse-Reaktion anorganisch kondensieren. Dabei entsteht ein anorganisch vernetztes Kondensat (organisch modifiziertes Kieselsäurepolykondensat) mit vielen Thio- oder Aminogruppen, das sich mit C=C-doppelbindungshaltigen Verbindungen oder ringhaltigen Verbindungen, die von Thiolen bzw. Aminen unter Ringöffnung angegriffen werden, zu einem anorganisch und organisch vernetzten Produkt (Polymer) weiter umsetzen lässt. In einer speziellen Ausführungsform werden den erfindungsgemäßen Silanen bei der Hydrolyse-Reaktion entweder weitere bekannte, hydrolytisch kondensierbare Silane und/oder Alkoxyverbindungen von Heteroatomen wie z.B. B, Al, Zr, Zn oder Sn zugegeben. Werden Alkoxyverbindungen von Heteroatomen zugesetzt, ist das Kondensat auch als organisch modifiziertes Kieselsäureheteropolykondensat anzusprechen. Fehlen solche Zusätze, entsteht ein Kieselsäurehomopolykondensat. Der Ausdruck "Kieselsäurepolykondensat" soll sowohl Hetero- als auch Homokondensate umfassen.The silanes according to the invention or mixtures of these silanes can be inorganically condensed, for example via a hydrolysis reaction. This produces an inorganically crosslinked condensate (organically modified silicic acid polycondensate) with many thio or amino groups, which combines with compounds containing C=C double bonds or ring-containing compounds that are attacked by thiols or amines with ring opening to form an inorganically and organically crosslinked product ( Polymer) can be further implemented. In a specific embodiment, either other known, hydrolytically condensable silanes and/or alkoxy compounds of heteroatoms such as B, Al, Zr, Zn or Sn are added to the silanes according to the invention during the hydrolysis reaction. If alkoxy compounds of heteroatoms are added, the condensate can also be referred to as an organically modified silicic acid heteropolycondensate. If such additives are missing, a silicic acid homopolycondensate is formed. The term "silicic acid polycondensate" is intended to include both hetero- and homo-condensates.

Wie oben definiert, darf jedes Element der kohlenwasserstoffhaltigen Kette von R2 nicht mehr als 8 aufeinander folgende Kohlenstoffatome aufweisen, vorzugsweise aber noch weniger. Sind es insgesamt 8 oder weniger als 8, so ist das Vorhandensein einer spaltbaren Gruppe optional. Ist die Anzahl größer, so müssen spaltbare Gruppen vorhanden sein, durch die die Elemente der kohlenwasserstoffhaltigen Kette unterbrochen sind, derart dass nicht mehr als 8, vorzugsweise aber noch weniger Kohlenstoffatome aufeinander folgen. Auch bei insgesamt höchstens 8 Kohlenstoffatomen in der kohlenwasserstoffhaltigen Kette kann dieses optional durch spaltbare Gruppen in kleinere Elemente unterteilt sein. Für den Fall, dass das Kohlenwasserstoffgerüst von R2 mehr als eine kohlenwasserstoffhaltige Kette aufweist (z.B. dann, wenn es sich bei der Verbindung (2) um ein Silan oder ein Siloxan,d.h. ein Kieselsäurepolykondensat handelt), gilt diese Bedingung für jede der vorhandenen Ketten. Je kürzer das oder die aus kohlenwasserstoffhaltigen Ketten aufgebauten Elemente ist/sind, desto besser ist die Abbaubarkeit, weil beim Abbau umso kürzere Bruchstücke entstehen.As defined above, each member of the hydrocarbyl chain of R 2 must have no more than 8 consecutive carbon atoms, but preferably less. If the total is 8 or less than 8, the presence of a cleavable group is optional. If the number is greater, there must be cleavable groups which interrupt the elements of the hydrocarbon-containing chain in such a way that no more than 8, but preferably even fewer, carbon atoms follow one another. Even with a total of at most 8 carbon atoms in the hydrocarbon-containing chain, this can optionally be subdivided into smaller elements by cleavable groups. In the event that the hydrocarbon skeleton of R 2 has more than one hydrocarbon-containing chain (eg when compound (2) is a silane or a siloxane, ie a silicic acid polycondensate), this condition applies to each of the chains present . The shorter the element or elements made up of chains containing hydrocarbons, the better the degradability, because the shorter fragments are formed during degradation.

Das Kohlenwasserstoffgerüst von R2 weist vorzugsweise hauptsächlich oder ausschließlich Alkyleneinheiten auf. Deren Glieder können, müssen aber nicht, mit einem oder mehreren Substituenten substituiert sein, wobei die Substituenten vorzugsweise ausgewählt sind unter Hydroxy-, Carbonsäure-, Phosphat-, Phosphonsäure-, Phosphorsäureester-, -tertiären Amino-und Aminosäuregruppen. Das Kohlenwasserstoffgerüst von R2 kann aus solchen Alkyleneinheiten bestehen.The hydrocarbon skeleton of R 2 preferably has mainly or exclusively alkylene units. Their members can, but do not have to, be substituted with one or more substituents, the substituents preferably being selected from hydroxyl, carboxylic acid, phosphate, phosphonic acid, phosphoric acid ester, tertiary amino and amino acid groups. The hydrocarbon skeleton of R 2 can consist of such alkylene units.

Die kohlenwasserstoffhaltige Kette von R2 kann innerhalb des einzigen oder der einzelnen Elemente weiterhin durch Sauerstoffatome (Ethergruppen), Schwefelatome (Thioethergruppen) oder Sulfonylgruppen (-S(O)2-) unterbrochen sein.The hydrocarbon-containing chain of R 2 can be further interrupted within the single element or elements by oxygen atoms (ether groups), sulfur atoms (thioether groups) or sulfonyl groups (-S(O) 2 -).

Bei den spaltbaren Gruppen von R2 kann es sich um hydrolysierbare, also hydrolytisch spaltbare Gruppen handeln. Darunter fallen beispielsweise die Ester- und Anhydridgruppen sowie in der Regel die Ketal-, Acetal-, Disulfid-, Imin-, Hydrazon und Oxim-Gruppen. Es können auch spaltbare Gruppen eingesetzt werden, die enzymatisch spaltbar sind, wie beispielsweise die Ester, Amid-, Carbonat- und Carbamat-Gruppen. Die Gruppen können aber auch sowohl hydrolytisch als auch enzymatisch spaltbar sein. Soweit die genannten Gruppen auch auf zusätzlich anderen Wegen spaltbar sind, ist dies erfindungsgemäß natürlich günstig, da sich dann auch andere Spaltungsreaktionen für den Abbau eröffnen. Estergruppen sind unter den spaltbaren Gruppen bevorzugt.The cleavable groups of R 2 can be hydrolyzable, ie hydrolytically cleavable groups. These include, for example, the ester and anhydride groups and, as a rule, the ketal, acetal, disulfide, imine, hydrazone and oxime groups. Cleavable groups which are enzymatically cleavable such as the ester, amide, carbonate and carbamate groups can also be used. However, the groups can also be both hydrolytically and enzymatically cleavable. If the groups mentioned can also be cleaved in other ways, this is of course favorable according to the invention, since other cleavage reactions then open up for the degradation. Ester groups are preferred among the cleavable groups.

Mit den Gruppen X der Verbindung (2) gehen die Thiole bzw. Aminogruppen der Silane (1) bzw. der durch Hydrolyse daraus oder damit gebildeten Kondensate ("Kieselsäurepolykondensate) eine Additionsreaktion nach Art einer Thiol-En-Reaktion ein.The thiols or amino groups of the silanes (1) or of the condensates formed therefrom or with it by hydrolysis ("silicic acid polycondensates") enter into an addition reaction in the manner of a thiol-ene reaction with the groups X of the compound (2).

Die Gruppen X weisen in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung endständige polyaddierbaren C=C-Gruppen auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um Acryl- oder Methacrylgruppen (z.B. Acrylat und/oder Methacrylatgruppen), Allylester-, Vinylester-, Allylether-, Vinylethergruppen, Propenylether-, Maleimid- oder N-Vinyl-Amidgruppen handeln. Weiter gehören in diese Gruppen cycloolefinische, bevorzugt bicycloolefinische und besonders bevorzugt unsubstituierte bzw. substituierte Norbornenylgruppen, vorzugsweise der folgenden Formel:

Figure imgb0001
worin R* und R** unabhängig voneinander H oder ein (ggf. funktionalisierter) organischer Rest sein können, R2 weiterhin ein organischer Rest sein kann, der C=C-Gruppen enthält, und Z eine Sauerstoffbrücke oder den Rest -(CHR1)-n bedeutet, wobei R1 H oder ein (ggf. funktionalisierter) organischer Rest ist und n 1, 2, 3, größer 3 bis etwa 20 oder sogar noch größer sein kann.In a first embodiment of the invention, the groups X have terminal polyaddable CC groups. These can be, for example, acrylic or methacrylic groups (eg acrylate and/or methacrylate groups), allyl ester, vinyl ester, allyl ether, vinyl ether, propenyl ether, maleimide or N-vinyl amide groups. These groups also include cycloolefinic, preferably bicycloolefinic and particularly preferably unsubstituted or substituted norbornenyl groups, preferably of the following formula:
Figure imgb0001
wherein R* and R** can independently be H or an (optionally functionalized) organic radical, R 2 can further be an organic radical containing C=C groups, and Z is an oxygen bridge or the radical -(CHR 1 )- n is where R 1 is H or an (optionally functionalized) organic radical and n can be 1, 2, 3, greater than 3 to about 20 or even greater.

In einer alternativen Ausgestaltung der Gruppen X handelt es sich bei diesen um ringöffnende Systeme. Darunter sind z.B. Epoxygruppen und reaktive cyclische Ethergruppen mit z.B. 4 Ringgliedern (Oxetangruppe) zu verstehen. Die Glycidyl- bzw. Oxetangruppe kann unsubstituiert oder substituiert sind. Des Weiteren können cyclische Carbonatgruppen, wie sie beispielsweise in der DE 4423811.8 beschrieben sind, Spiroester / Spiroorthoester (letztere sind beispielsweise in DE 4125201.2 gezeigt) sowie Spiroorthocarbonate und bicyclische Orthoester zum Einsatz kommen.In an alternative configuration of the groups X, these are ring-opening systems. This includes, for example, epoxy groups and reactive cyclic ether groups with, for example, 4 ring members (oxetane group). The glycidyl or oxetane group can are unsubstituted or substituted. Furthermore, cyclic carbonate groups, such as those in the DE 4423811.8 are described, spiroesters / spiroorthoesters (the latter are for example in DE 4125201.2 shown) as well as spiroorthocarbonates and bicyclic orthoesters are used.

Bei den Verbindungen (2) kann es sich wie erwähnt um rein organische Verbindungen (vorzugsweise Monomere oder Oligomere) handeln. Beispiele sind mit mindestens zwei Methacrylatresten veresterte Diole oder Triole wie Glycerin sowie deren Umsetzungsprodukte mit Dicyclopentadien. Alternativ kann in das Kohlenwasserstoffgerüst von (2) mindestens eine hydrolysierbare Silylgruppe integriert sein. Das heißt, dass es sich bei (2) um ein Silan handeln kann, das im Wesentlichen oder ausschließlich über Sauerstoff an das Silicium gebundene Reste besitzt, von denen mindestens zwei die genannte Gruppe X tragen oder von denen mindestens eine zwei der genannten Gruppen X trägt, oder es können entsprechende hydrolytische Kondensate (Kieselsäurepolykondensate) aus solchen Silanen genutzt werden, die ebenfalls im Wesentlichen oder ausschließlich über Sauerstoff an das Silicium gebundene Reste besitzen. Diese Polykondensate können dann in der Regel insgesamt mehr als zwei Gruppen X tragen, beispielsweise etwa eine oder zwei Gruppen X pro Siliciumatom; mehr oder weniger ist jedoch selbstverständlich ebenfalls möglich. Als besonders geeignet seien in diesem Zusammenhang die Silane und Silankondensate der WO 2016/ 037871 genannt, die C=C-Doppelbindungen und insbesondere (Meth-)Acrylgruppen tragen.As mentioned, the compounds (2) can be purely organic compounds (preferably monomers or oligomers). Examples are esterified with at least two methacrylate diols or triols such as glycerol and their reaction products with dicyclopentadiene. Alternatively, at least one hydrolyzable silyl group can be integrated into the hydrocarbon structure of (2). This means that (2) can be a silane which essentially or exclusively has radicals bonded to the silicon via oxygen, of which at least two carry the group X mentioned or of which at least one carries two of the groups X mentioned , or it is possible to use corresponding hydrolytic condensates (silicic acid polycondensates) from silanes which also have radicals bonded to the silicon essentially or exclusively via oxygen. These polycondensates can then generally carry a total of more than two X groups, for example about one or two X groups per silicon atom; however, more or less is of course also possible. In this context, the silanes and silane condensates are particularly suitable WO 2016/037871 called, the C = C double bonds and carry in particular (meth) acrylic groups.

Wird ein noch nicht hydrolytisch kondensiertes Silan (1) mit der Verbindung (2) zur Umsetzung gebracht und/oder handelt es sich bei der Verbindung (2) um ein (noch) nicht hydrolytisch kondensiertes Silan, so erfolgt nach der Umsetzung von (1) mit (2) vorzugsweise eine nachträgliche hydrolytische Kondensation. Die Regel ist jedoch, dass man von bereits hydrolytisch kondensierten Silanen (1) ausgeht, also einem bereits anorganisch vernetzten Material, und diese entweder mit einer rein organischen Verbindung (2) oder einem hydrolytischen Kondensat eines Silans der Formel (2) umsetzt.If a not yet hydrolytically condensed silane (1) is reacted with the compound (2) and/or the compound (2) is a not (yet) hydrolytically condensed silane, then after the reaction of (1) with (2) preferably a subsequent hydrolytic condensation. The rule, however, is that one starts with hydrolytically condensed silanes (1), ie a material that is already inorganically crosslinked, and reacts these either with a purely organic compound (2) or with a hydrolytic condensate of a silane of the formula (2).

Das Verhältnis zwischen den Gruppen X der Verbindung (2) und den Thiol- bzw. Aminogruppen der Silane (1) bzw. der daraus gebildeten Silankondensate ist variabel. Vorzugsweise werden die Gruppen im Verhältnis 1:1 oder die Thiol- bzw. Aminogruppen im Unterschuss zu den Gruppen X eingesetzt. Letzteres ist z.B. dann günstig, wenn die Gruppen X homopolymerisationsfähig sind, also beispielsweise (Meth-)Acrylgruppen sind. Dann findet neben der Additionsreaktion der Thiol- bzw. Aminogruppen zeitgleich - wenn auch nur in untergeordnetem Umfang - eine Homopolymerisationsreaktion der Gruppen X untereinander statt. Die Gruppen X der Verbindung (2) können aber auch im Unterschuss zugegeben werden. Das Verhältnis der Gruppen X der Verbindung (2) zu der Summe der Thiol- und Aminogruppen der Silane (1) und der ggf. daraus gebildeten Silankondensate kann 0,1 bis unter 1,0 sein, vorzugsweise 0,2 bis 0,9. Alternative Verhältnisse sind 0,5 bis 0,9 oder 0,1 bis 0,5. Auf diese Weise wird vermieden, dass nicht-umgesetzter Vernetzer, der im Fall von Acrylat toxisch ist, im Reaktionsgemisch verbleibt und möglicherweise entfernt werden muss. Außerdem sind in diesem Fall nicht-umgesetzte polyaddierbare Gruppen der Silane (1), nämlich Thiol- oder Aminogruppen, vorhanden, die aufgrund ihrer Polarität beispielsweise die Anhaftung von Zellen fördern oder sich für die kovalente Anbindung weiterer Moleküle eignen. Aus den polyaddierbaren Gruppen der Silane (1) werden dadurch funktionelle Gruppen in dem organisch modifizierten, polymerisierten Kieselsäurepolykondensat.The ratio between the groups X of the compound (2) and the thiol or amino groups of the silanes (1) or the silane condensates formed therefrom is variable. The groups are preferably used in a ratio of 1:1 or the thiol or amino groups are used in less than the X groups. The latter is favorable, for example, when the groups X are capable of homopolymerization, ie are, for example, (meth)acryl groups. Then, in addition to the addition reaction of the thiol or amino groups, a homopolymerization reaction of the groups X takes place at the same time--even if only to a minor extent. However, the groups X of the compound (2) can also be added in less than one amount. The ratio of the groups X of the compound (2) to the sum of the thiol and amino groups of the silanes (1) and any silane condensates formed therefrom can be from 0.1 to less than 1.0, preferably from 0.2 to 0.9. Alternative ratios are 0.5 to 0.9 or 0.1 to 0.5. To this This avoids unreacted crosslinking agent, which is toxic in the case of acrylate, remaining in the reaction mixture and possibly having to be removed. In addition, in this case there are unreacted groups of the silanes (1) which can be polyadded, namely thiol or amino groups, which, because of their polarity, promote, for example, the attachment of cells or are suitable for the covalent attachment of other molecules. The groups of the silanes (1) which can be polyadded thereby become functional groups in the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate.

Die Aushärtung durch die Thiol-En-Reaktion kann über zwei verschiedene Mechanismen ablaufen: Radikalische Thiol-En-Reaktion und Thio-Michael-Addition. Der radikalische Mechanismus wird durch einen Radikalstarter (thermisch und/oder photoinduziert und/oder redoxinduziert) initiiert. Insbesondere nicht aktivierte C=C-Doppelbindungen (wie z. B. Vinyl-, Allyl-, Norbornenylgruppen) eignen sich für diese Art der Initiierung. Um auch eine Thiol-Michael-Addition (insbesondere bei aktivierten C=C-Doppelbindungen, wie z. B. (Meth)acrylatgruppen) örtlich und/oder zeitlich gezielt initiieren zu können, können Photobasen verwendet werden, da die Thiol-Michael-Addition basenkatalysiert abläuft. Photobasen setzen bei Belichtung eine Base frei und können so die Thiol-Michael-Addition initiieren. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen polymerisierten Verbindungen können also auch Photobasen eingesetzt werden. Die Herstellung und Verwendung von Photobasen ist in der Literatur beschrieben.Curing through the thiol-ene reaction can occur via two different mechanisms: free radical thiol-ene reaction and thio-Michael addition. The free radical mechanism is initiated by a free radical initiator (thermal and/or photoinduced and/or redox induced). In particular, unactivated C=C double bonds (e.g. vinyl, allyl, norbornenyl groups) are suitable for this type of initiation. In order to also be able to initiate a thiol-Michael addition (particularly in the case of activated C=C double bonds, such as (meth)acrylate groups) locally and/or in terms of time, photobases can be used, since the thiol-Michael addition base-catalyzed. Photobases release a base upon exposure to light and can thus initiate the thiol-Michael addition. Photobases can therefore also be used in the preparation of the polymerized compounds according to the invention. The production and use of photobases is described in the literature.

Wird photochemisch gearbeitet, kann die Bestrahlung mit sichtbarem und/oder UV-Licht durchgeführt werden. Kombinationen verschiedener Umsetzungen, beispielsweise photochemisch und thermisch oder eine Kombination von redoxinduzierter mit z.B. photo induzierter bzw. thermischer Härtung, sind ebenfalls möglich. Somit ergeben sich als mögliche Verarbeitungsprozesse für strukturierte Materialien z.B. die 2- oder Mehr-Photonen-Polymerisation (2PP/MPP), das Digital Light Processing Verfahren (DLP) und die Stereolithografie (STL), wobei diese Aufzählung nicht als abschließend verstanden werden soll. Bei geeigneter Reaktionsführung (Vermeidung eines Überschusses von Verbindung (2), falls diese rein organisch sein sollte) fallen ausschließlich Produkte an, die monomerfrei sind und deshalb nicht allergen sein können.If work is carried out photochemically, the irradiation can be carried out with visible and/or UV light. Combinations of different reactions, for example photochemical and thermal or a combination of redox-induced curing with, for example, photo-induced or thermal curing are also possible. Possible processing methods for structured materials are, for example, 2- or multi-photon polymerisation (2PP/MPP), digital light processing (DLP) and stereolithography (STL), although this list should not be taken as exhaustive. If the reaction is carried out appropriately (avoidance of an excess of compound (2) if this should be purely organic), only products are obtained which are monomer-free and therefore cannot be allergenic.

Die Polymerisationsreaktion kann aus einer (meist flüssigen oder pastösen) Harzmasse heraus (in Bulkform) erfolgen, die die Komponenten enthält. Für strukturierte Produkte wie Scaffolds oder Implantate - aber nicht nur für diese - kann die Polymerisation beispielsweise in einem Bad erfolgen, in dem das Harzmaterial als Masse (flüssig oder pastös) vorgelegt und in einer gewünschten Form oder einem gewünschten Muster polymerisiert wird (VAT-Polymerisation). Hierfür wird vorzugsweise mit Laserlicht in bekannter Weise eine Belichtung durchgeführt, z.B. eine 2- oder Mehr-Photonen-Polymerisation ("TPA processing"), wie beispielsweise in WO 2011/098460 A1 beschrieben. Stattdessen kann natürlich auch eine Strukturierung mit anderen VAT-Polymerisations-Techniken erfolgen, beispielsweise durch das sog. DLP-Verfahren, bei dem die gewünschte Form durch sequentielles Belichten schichtweise aufgebaut wird. Das Bauteil haftet hierbei an einer Bauplattform, welche kopfüber in der Harzmasse hängt. Das Bad mit der Harzmasse wird von unten bestrahlt und das entstehende Bauteil Schicht für Schicht angehoben. Das nicht polymerisierte Material kann anschließend weggewaschen werden. Wird eine Drucktechnik wie Multi Jet Modelling (MSM), das Poly Jet Printing (PJP), Ink Jet angewandt, wird nur das benötigte Material schichtweise übereinander gedruckt, so dass ein Auswaschen nicht nötig ist.The polymerization reaction can take place from a (usually liquid or pasty) resin mass (in bulk form) that contains the components. For structured products such as scaffolds or implants - but not only for these - the polymerisation can take place in a bath, for example, in which the resin material is presented as a mass (liquid or pasty) and polymerised in a desired shape or a desired pattern (VAT polymerisation ). For this purpose, an exposure is preferably carried out with laser light in a known manner, for example a 2- or multi-photon polymerization ("TPA processing"), as for example in WO 2011/098460 A1 described. Instead, of course, a structuring with others VAT polymerization techniques are used, for example by the so-called DLP process, in which the desired shape is built up in layers by sequential exposure to light. The component adheres to a construction platform that hangs upside down in the resin mass. The bath with the resin mass is irradiated from below and the resulting component is lifted up layer by layer. The unpolymerized material can then be washed away. If a printing technique such as Multi Jet Modeling (MSM), Poly Jet Printing (PJP), Ink Jet is used, only the required material is printed in layers, so that washing out is not necessary.

Sollen Scaffolds hergestellt werden, so lassen sich die für das Anwachsen des biologischen Materials benötigten Poren mit Hilfe der genannten Strukturierungstechniken direkt im Formkörper erzeugen. Mit DLP können Poren vor allem im µm-Bereich, mit TPA auch darunter, d.h. im nm-Bereich, erzeugt werden.If scaffolds are to be produced, the pores required for the growth of the biological material can be produced directly in the shaped body with the aid of the structuring techniques mentioned. With DLP, pores can be created primarily in the µm range, with TPA also below that, i.e. in the nm range.

Die erfindungsgemäßen Verbindungen, also das Silan, das organisch modifizierte Kieselsäurepolykondensat und das organisch modifizierte, polymerisierte Kieselsäurepolykondensat, können also auch zur Herstellung von Gerüststrukturen (Scaffolds) verwendet werden. Somit kann der erfindungsgemäß herstellbare Formkörper auch eine Gerüststruktur sein.The compounds according to the invention, ie the silane, the organically modified silicic acid polycondensate and the organically modified, polymerized silicic acid polycondensate, can therefore also be used to produce framework structures (scaffolds). Thus, the shaped body that can be produced according to the invention can also be a framework structure.

Durch Reaktion von (1) mit (2) entsteht je nach Anzahl der Reste R1 und R2 ein ggf. kettenförmiges oder ringförmiges, in der Regel jedoch vernetztes Produkt (Hybridpolymer). Dieses ist in der Regel je nach gewählten spaltbaren Gruppen auf verschiedenen Wegen, aber natürlich insbesondere hydrolytisch oder enzymatisch abbaubar, und zwar aufgrund der Tatsache, dass beide Komponenten, (1) wie (2), meist nur kurze Kohlenwasserstoffketten aufweisen, die ggf. durch entsprechende hydrolytisch oder enzymatisch und ggf. anderweitig spaltbare Gruppen voneinander getrennt sind. Stattdessen oder zusätzlich können die bei Spaltung der spaltbaren Gruppen verbleibenden kohlenwasserstoffhaltigen Ketten - zumindest bei der Temperatur des menschlichen Körpers, vorzugsweise aber bei normaler Umgebungstemperatur, also ca. 25 °C - wasserlöslich sein. Die Hybridpolymere werden bei Lagerung in Puffern innerhalb weniger Wochen mehr oder weniger stark zersetzt, wobei toxisch unbedenkliche, meist wasserlösliche, kleinteilige Abbauprodukte entstehen. Auch werden dabei sowohl die organische Netzwerkstruktur wie auch die Sauerstoffbrücke zwischen dem organischen Substituenten und dem Siliciumatom gespalten. Damit sind die erfindungsgemäßen Hybridpolymere geeignet zur Herstellung von vollständig biodegradierbaren bzw. resorbierbaren Implantaten oder Scaffolds mit für den jeweiligen Verwendungszweck angepassten mechanischen Daten. Auch für die Anwendung in Knochenzementen eignen sich die erfindungsgemäßen Silane und Hybridpolymere.Depending on the number of radicals R 1 and R 2 , the reaction of (1) with (2) gives rise to a product which may be in the form of a chain or ring, but is usually crosslinked (hybrid polymer). Depending on the cleavable groups selected, this can usually be degraded in different ways, but of course in particular hydrolytically or enzymatically, due to the fact that both components (1) and (2) usually only have short hydrocarbon chains, which may be corresponding hydrolytically or enzymatically and optionally otherwise cleavable groups are separated from one another. Instead or in addition, the hydrocarbon-containing chains remaining when the cleavable groups are cleaved can be water-soluble—at least at the temperature of the human body, but preferably at normal ambient temperature, ie about 25.degree. When stored in buffers, the hybrid polymers decompose to a greater or lesser extent within a few weeks, with the formation of toxically harmless, mostly water-soluble, small-scale degradation products. Both the organic network structure and the oxygen bridge between the organic substituent and the silicon atom are also cleaved. The hybrid polymers according to the invention are therefore suitable for the production of completely biodegradable or resorbable implants or scaffolds with mechanical data adapted to the respective intended use. The silanes and hybrid polymers according to the invention are also suitable for use in bone cements.

Die so erhaltenen Materialien, wie auch zum Teil ihre Vorstufen sind - im Gegensatz zu manchen Materialien wie (Meth-)Acrylat-Materialien - stabil gegenüber einer Bestrahlung mit γ-Strahlen (bevorzugte Methode, da einfache Handhabung), so dass sie sterilisierfähig sind. Eine Sterilisierung der erzeugten Formkörper ist vor allem im medizinischen Bereich häufig wesentlich, z.B. wenn diese als Knochenersatz oder Scaffolds dienen sollen. Und nicht nur die durchpolymerisierten Produkte der Erfindung sind sterilisierfähig, sondern auch die Silane/Kieselsäurepolykondensate (1) und viele Vernetzer (2), so dass man bereits die Ausgangsmaterialien für die vernetzten Produkte ohne weiteres sterilisieren kann.The materials obtained in this way, as well as some of their precursors, are—in contrast to some materials such as (meth)acrylate materials—stable to irradiation with γ rays (preferred method due to ease of use) so that they can be sterilized. Sterilization of the shaped bodies produced is often essential, especially in the medical field, for example if they are to be used as bone substitutes or scaffolds. And not only the fully polymerized products of the invention can be sterilized, but also the silanes/silicic acid polycondensates (1) and many crosslinkers (2), so that the starting materials for the crosslinked products can be sterilized without further ado.

Durch Variation des Anteils an anorganisch vernetzbaren Einheiten und/oder an organisch polymerisierbaren/polyaddierbaren Einheiten lassen sich die mechanischen Eigenschaften der aus den Silanen erzeugten Hybridpolymere gezielt so einstellen, dass sie denjenigen natürlicher, weicher oder harter Gewebe ähneln. Sie lassen sich von Zelltypen wie Endothelzellen besiedeln und eignen sich daher z.B. als Scaffolds zur Stabilisierung und Züchtung von Zellen.By varying the proportion of inorganically crosslinkable units and/or of organically polymerizable/polyaddable units, the mechanical properties of the hybrid polymers produced from the silanes can be specifically adjusted so that they resemble those of natural, soft or hard tissue. They can be colonized by cell types such as endothelial cells and are therefore suitable, for example, as scaffolds for stabilizing and growing cells.

Nachstehend soll die Erfindung anhand einer Schemadarstellung eines erfindungsgemäßen Silans der Formel (1) näher erläutert werden. Gezeigt wird einer der Substituenten R1 am Silan (1), gebunden über ein Sauerstoffatom an das Siliciumatom. Dieses Sauerstoffatom ist hier Teil einer Glycerineinheit. Die beiden übrigen Alkoholgruppen dieser Einheiten sind mit Thioglykolsäuregruppen verestert. Damit ist die Gruppe verzweigt und besitzt an ihren dem Siliciumatom abgewandten Enden Thiolgruppen, die mit einer zwei oder mehr C=C-Doppelbindungen oder Ringe enthaltenden Verbindung (nachstehend allgemein mit "Multi-En" bezeichnet) im Sinne einer Thiol-En-Polyaddition organisch vernetzt werden können.

Figure imgb0002
The invention is to be explained in more detail below using a schematic representation of a silane of the formula (1) according to the invention. Shown is one of the substituents R 1 on the silane (1) bonded to the silicon atom through an oxygen atom. Here, this oxygen atom is part of a glycerol unit. The two remaining alcohol groups of these units are esterified with thioglycolic acid groups. The group is thus branched and has thiol groups at its ends remote from the silicon atom, which are organic with a compound containing two or more CC double bonds or rings (hereinafter generally referred to as "multi-ene") in the sense of a thiol-ene polyaddition can be networked.
Figure imgb0002

Die beiden in dieser Gruppe vorhandenen beispielhaften Carbonsäureestergruppen sind einer Hydrolyse zugänglich und hier mit DG bezeichnet. Unter Hydrolysebedingungen erfolgt außerdem die Spaltung der Si-O-Bindung. Damit wird ein Material bereitgestellt, das an der Kopplungsstelle der organischen Gruppe zum Silicium degradierbar ist.The two exemplary carboxylic acid ester groups present in this group are susceptible to hydrolysis and are referred to here as DG. Takes place under hydrolysis conditions also the cleavage of the Si-O bond. This provides a material that is degradable to silicon at the point of attachment of the organic group.

Im Folgenden ist die zugehörige vernetzende Komponente (2) in allgemeiner Form und als Beispiel für ein Multi-En dargestellt.

Figure imgb0003
The associated crosslinking component (2) is shown below in general form and as an example for a multi-ene.
Figure imgb0003

Das Multi-En enthält in diesem Fall zwei hydrolytisch spaltbare Carbonsäureestergruppen, die hier wiederum mit DG bezeichnet werden. Außerdem sind zwei endständige Methacrylatgruppen vorhanden.In this case, the multi-ene contains two hydrolytically cleavable carboxylic acid ester groups, which are in turn denoted here by DG. There are also two terminal methacrylate groups.

Die organische Polymersiation führt zu untenstehender organisch vernetzter Struktur.

Figure imgb0004
The organic polymerization leads to the organic crosslinked structure below.
Figure imgb0004

Man erkennt aus den obigen Erläuterungen unmittelbar, dass das Vorsehen von nur kurzen, optional durch Sauerstoffatome, Schwefelatome, Ester-, Amid-, Carbonat-, Carbamat-, Ketal-, Acetal-, Disulfid-, Imin-, Hydrazon- und/oder Oxim-Gruppen unterbrochenen Kohlenwasserstoffketten beim hydrolytischen/enzymatischen/etc. Abbau zu kleinmolekularen Produkten führt, die in der Regel als solche physiologisch unbedenklich sind. So kann der gesamte organische Anteil des Hybridpolymers in kleinmolekulare Produkte zerlegt werden. Im obigen Beispiel entstehen z.B. Glycerin und eine einen Thioether beinhaltende Dicarbonsäure, welche toxikologisch unbedenklich sind. Die verbleibenden, im Wesentlichen anorganischen Reste dürften im Wesentlichen Bruchstücke mit Si-O-Si-Verknüpfungen sein, die nach außen hin mit Hydroxygruppen belegt sind.One recognizes from the above explanations immediately that the provision of only short, optionally by oxygen atoms, sulfur atoms, ester, amide, carbonate, carbamate, ketal, acetal, disulfide, imine, hydrazone and / or Oxime groups interrupted hydrocarbon chains in hydrolytic / enzymatic / etc. Degradation to small molecular products leads, which are usually physiologically harmless as such. In this way, the entire organic part of the hybrid polymer can be broken down into small-molecular products. In the example above, for example, glycerol and a dicarboxylic acid containing a thioether are formed, which are toxicologically harmless. The remaining, essentially inorganic residues are likely to be essentially fragments with Si-O-Si linkages which are outwardly covered with hydroxy groups.

Durch eine vor der organischen Vernetzung erfolgende Einarbeitung von Additiven wie z.B. Füllstoffen lassen sich die Materialeigenschaften der erfindungsgemäßen Hybridpolymere auf vielfältige Art und Weise beeinflussen. Hierbei eignen sich besonders Füllstoffe verschiedener Formen, die ihrerseits degradierbar bzw. abbaubar sind, wie z.B. Tricalciumphosphat, Hydroxylapatit, Magnesium-Partikel oder Biogläser (Partikel, aufgebaut aus einer Glasbasis aus z.B. SiO2, Na2O bzw. K2O/CaO/Phosphorverbindungen wie P2O5, die sich unter bestimmten Umgebungsbedingungen nach und nach auflösen, siehe Bioactive Glasses, Fundamentals, Technology and Application von Royal Society of Chemistry ). Mit solchen Füllstoffen sowie weiteren Additiven lassen sich das Degradationsverhalten, mechanische Eigenschaften wie die mechanische Stabilität (z.B. durch Erhöhung des E-Moduls etc.), die Osteokonduktivität und - induktivität (z.B. bei Knochen-Scaffolds), die Biokompatibilität und/oder die Erzeugung von Poren beeinflussen. Poren lassen sich entweder direkt, durch entsprechende Strukturierung des Formkörpers, oder dadurch erzeugen, dass degradierbare bzw. abbaubare Füllstoffe im organisch vernetzten Material enthalten sind, die nach dem Einsetzen des Formkörpers wie z.B. eines Scaffolds in den Körper schnell degradieren. Auch kann beispielsweise eine lokale Beschleunigung der Degradation erreicht werden, indem ein Füllstoff eingesetzt wird, der beim Zerfall basische Abbauprodukte liefert. Hierfür eignen sich z.B. Biogläser als Füllstoffe. Natürlich können auch nicht-degradierbare Füllstoffe zugesetzt werden, um die mechanische Stabilität eines aus dem erfindungsgemäßen Material erzeugten Formkörpers zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen. Günstig ist es natürlich, wenn solche Füllstoffe ihrerseits kleinteilig sind.The material properties of the hybrid polymers according to the invention can be influenced in many ways by the incorporation of additives, such as fillers, prior to the organic crosslinking. Fillers of various shapes that are themselves degradable or degradable are particularly suitable here, such as tricalcium phosphate, hydroxyapatite, magnesium particles or bioglass (particles made up of a glass base of, for example, SiO 2 , Na 2 O or K 2 O/CaO/ Phosphorus compounds such as P 2 O 5 which gradually dissolve under certain environmental conditions, see Bioactive Glasses, Fundamentals, Technology and Application by Royal Society of Chemistry ). With such fillers and other additives, the degradation behavior, mechanical properties such as mechanical stability (e.g. by increasing the modulus of elasticity, etc.), the osteoconductivity and - inductivity (e.g. in bone scaffolds), the biocompatibility and / or the generation of affect pores. Pores can be created either directly, by appropriate structuring of the shaped body, or by containing degradable or degradable fillers in the organically crosslinked material, which quickly degrade after the shaped body, such as a scaffold, has been inserted into the body. A local acceleration of the degradation can also be achieved, for example, by using a filler which supplies basic degradation products when it decomposes. Bioglasses, for example, are suitable as fillers for this purpose. Of course, non-degradable fillers can also be added in order to influence, in particular to increase, the mechanical stability of a molded article produced from the material according to the invention. Of course, it is favorable if such fillers are in turn made up of small particles.

Photobasen und Photosäuren können als Trigger in die Materialsysteme integriert werden, um zu einem späteren Zeitpunkt die Degradation zu initiieren bzw. die Degradationsrate eines Probekörpers zu erhöhen, indem die durch Belichtung der Probe freigesetzten Säuren oder Basen die Spaltung der degradierbaren Gruppen katalysieren. Die Herstellung und entsprechende Verwendung von Photobasen und Photosäuren ist in der Literatur beschrieben.Photobases and photoacids can be integrated into the material systems as triggers in order to initiate degradation at a later point in time or to increase the degradation rate of a specimen by the acids or bases released by the exposure of the specimen catalyzing the cleavage of the degradable groups. The production and corresponding use of photobases and photoacids is described in the literature.

Der Einsatz von Photobasen ist vorteilhaft, da sie nicht nur, wie vorstehend beschrieben, bei der Synthese der erfindungsgemäßen Verbindungen, sondern auch bei deren Abbau eingesetzt werden können.The use of photobases is advantageous since they can be used not only, as described above, in the synthesis of the compounds according to the invention but also in their degradation.

Es ist des Weiteren möglich, dem erfindungsgemäßen Material Proteine zuzusetzen, die die Eigenschaften von Wachstumsfaktoren (z.B. bone morphogenic proteins) oder osteoinduktiven Mediatoren besitzen, um die Eignung des Materials als Scaffold beim Tissue Engineering weiter zu verbessern. Solche Proteine können als Additiv oder direkt angebunden an die Komponenten (1) und/oder (2) und damit als deren Bestandteile eingesetzt werden, wobei im letzteren Fall natürlich die Bedingungen eingehalten werden müssen, die für diese angegeben sind (z.B. Bindung der Proteine über eine Estergruppe; Verknüpfung der einzelnen Aminosäure über Säureamidgruppen).It is also possible to add proteins to the material according to the invention which have the properties of growth factors (eg bone morphogenic proteins) or osteoinductive ones Possess mediators to further improve the suitability of the material as a scaffold in tissue engineering. Such proteins can be used as an additive or directly attached to components (1) and/or (2) and thus as their constituents, although in the latter case the conditions specified for them must of course be observed (e.g. binding of the proteins via an ester group; linkage of the individual amino acids via acid amide groups).

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Materialien erstreckt sich u. a. auf die Verwendung in Form von Bulkmaterialien, Fasern, Kompositen, Zementen, Klebstoffen, Vergussmassen, Beschichtungsmaterialien, Einsatz im (Reaktions)extruder, im Bereich der Mehrphotonenpolymerisation. Geeignet sind sie für die verschiedensten Zwecke. Insbesondere ist ein Einsatz für medizinische Anwendungen (z. B. als Implantat, Knochenersatzmaterial, Knochenzement) von Bedeutung. Der Einsatz in anderen Anwendungsbereichen außerhalb des Körpers ist jedoch auch möglich.The use of the materials according to the invention extends i.a. for use in the form of bulk materials, fibers, composites, cements, adhesives, casting compounds, coating materials, use in (reaction) extruders, in the field of multi-photon polymerisation. They are suitable for a wide variety of purposes. Use for medical applications (eg as an implant, bone replacement material, bone cement) is of particular importance. However, use in other areas of application outside the body is also possible.

Nachstehend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using examples.

A. Herstellung einer Verbindung R1-OH (S3):A. Preparation of a compound R 1 -OH (S 3 ):

Figure imgb0005
Figure imgb0005

Zu 18,00 g (155,01 mmol, 1,0 Äquiv.) 2-Hydroxyethylacrylat (HEA) wurden 0,07 g (0,06 Gew.-%) 1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en gegeben (DBN). Unter Rühren wurde anschließend 104,32 g (496,04 mmol, 3,2 Äquiv.) Glycol-dimercaptoacetat (GDMA) zugetropft und die Reaktionsmischung für 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Das entstehende Produktgemisch wurde mittels Säulchenchromatographie (Dichlormethan/Ethylacetat 10:1) aufgereinigt und das erwünschte Produkt HEA-GDMA (S3) mit einer Ausbeute von 38,01 g (74 %) erhalten.To 18.00 g (155.01 mmol, 1.0 equiv) of 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) was added 0.07 g (0.06 wt%) of 1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5 -en given (DBN). 104.32 g (496.04 mmol, 3.2 equiv.) Glycol dimercaptoacetate (GDMA) were then added dropwise with stirring and the reaction mixture was stirred at room temperature for 24 h. The resulting product mixture was purified by column chromatography (dichloromethane/ethyl acetate 10:1) and the desired product HEA-GDMA (S3) was obtained in a yield of 38.01 g (74%).

B. Herstellung von Silanen der Formel (1)B. Preparation of silanes of formula (1) B1. Umesterung einer Verbindung R1-OH (hier: HS-CH2-CH2-OH, S1) mit einem Silan der Formel (3) (hier Si(OAc)4) zu einem Silan der Formel (1) (Produkt U1):B1 Transesterification of a compound R 1 -OH (here: HS-CH 2 -CH 2 -OH, S 1 ) with a silane of formula (3) (here Si(OAc) 4 ) to a silane of formula (1) (product U 1 ):

Figure imgb0006
37,33 g (141,26 mmol, 1,0 Äquiv.) Siliciumtetraacetat wurden mit 30,00 g (282,51 mmol, 2,0 Äquiv.) S1 (2-Mercapto-3-butanol), versetzt. Diese Reaktionsmischung wurde zunächst 1 min bei Raumtemperatur gerührt und daraufhin 1,5 h bei 15 mbar auf 50 °C erhitzt. Danach wurde der Druck für weitere 1,5 h auf 1 mbar reduziert. Das Reaktionsgemisch wurde 8 h im Ölpumpenvakuum von flüchtigen Bestandteilen befreit und mit Hilfe von Druckluft über einen Filter mit 15 µm Porengröße filtriert. Bei dem entstehenden Produktgemisch U1 sind durchschnittlich zwei Alkoxygruppen und zwei Acetoxygruppen an ein Siliciumatom gebunden. Ausbeute: 49,62 g (99 %)
Figure imgb0006
To 37.33 g (141.26 mmol, 1.0 equiv) of silicon tetraacetate was added 30.00 g (282.51 mmol, 2.0 equiv) of S1 (2-mercapto-3-butanol). This reaction mixture was first stirred at room temperature for 1 min and then heated at 50° C. at 15 mbar for 1.5 h. The pressure was then reduced to 1 mbar for a further 1.5 h. The reaction mixture was freed from volatile constituents in an oil pump vacuum for 8 h and filtered using compressed air through a filter with a pore size of 15 μm. In the resulting product mixture U1, on average two alkoxy groups and two acetoxy groups are bonded to a silicon atom. Yield: 49.62 g (99%)

B2. Umesterung einer Verbindung R1-OH (hier: Trimethylolpropan-di(1-Mercapto-ethylester), S2) mit einem Silan der Formel (3) (hier Si(OAc)4) zu einem Silan der Formel (1) (Produkt U2):B2. Transesterification of a compound R 1 -OH (here: trimethylolpropane-di(1-mercapto-ethyl ester), S 2 ) with a silane of the formula (3) (here Si(OAc) 4 ) to give a silane of the formula (1) (product U 2 ):

Figure imgb0007
27,49 g (104,04 mmol, 1,0 Äquiv.) Siliciumtetraacetat wurden mit 50,00 g (208,07 mmol, 2,0 Äquiv.) S2 (Isomerengemisch) versetzt. Diese Reaktionsmischung wurde zunächst 1 min bei Raumtemperatur gerührt und daraufhin 10 min bei 50 mbar auf 80 °C erhitzt. Danach wurde der Druck für weitere 2,5 h auf 1 mbar reduziert. Das Reaktionsgemisch wurde 8 h im Ölpumpenvakuum von flüchtigen Bestandteilen befreit und mit Hilfe von Druckluft über einen Filter mit 15 µm Porengröße filtriert. Bei dem entstehenden Produktgemisch U2 sind durchschnittlich zwei Alkoxygruppen (basierend auf unterschiedlichen Anteilen der Isomeren von von S2) und zwei Acetoxygruppen an ein Siliciumatom gebunden. Ausbeute: 63,80 g (98 %). Es ist anzumerken, dass das Mischungsverhältnis der Isomeren von S2, im Beispiel 1,56:0,44 Mol, beliebig gewählt werden kann.
Figure imgb0007
To 27.49 g (104.04 mmol, 1.0 equiv) of silicon tetraacetate was added 50.00 g (208.07 mmol, 2.0 equiv) of S2 (mixture of isomers). This reaction mixture was first stirred at room temperature for 1 min and then heated to 80° C. at 50 mbar for 10 min. The pressure was then reduced to 1 mbar for a further 2.5 hours. The reaction mixture was freed from volatile constituents in an oil pump vacuum for 8 h and filtered using compressed air through a filter with a pore size of 15 μm. The resulting product mixture U2 has an average of two alkoxy groups (based on different proportions of the isomers of S2) and two acetoxy groups attached to one silicon atom. Yield: 63.80 g (98%). It should be noted that the mixing ratio of the isomers of S 2 , in the example 1.56:0.44 mol, can be chosen arbitrarily.

B3. Umesterung einer Verbindung R1-OH (hier: Verbindung aus Herstellung A, S3) mit einem Silan der Formel (3) (hier Si(OAc)4) zu einem Silan der Formel (1) (Produkt U1):B3. Transesterification of a compound R 1 -OH (here: compound from preparation A, S 3 ) with a silane of the formula (3) (here Si(OAc) 4 ) to give a silane of the formula (1) (product U 1 ):

Figure imgb0008
Figure imgb0009
13,76 g (52,08 mmol, 1,0 Äquiv.) Siliciumtetraacetat wurden mit 34,00 g (104,17 mmol, 2,0 Äquiv.) S3 versetzt. Diese Reaktionsmischung wurde zunächst 1 min bei Raumtemperatur gerührt und daraufhin 15 min bei 15 mbar auf 80 °C erhitzt. Danach wurde der Druck für weitere 3 h auf 1 mbar reduziert. Das Reaktionsgemisch wurde 8 h im Ölpumpenvakuum von flüchtigen Bestandteilen befreit und mit Hilfe von Druckluft über einen Filter mit 15 µm Porengröße filtriert. Bei dem entstehenden Produktgemisch U3 sind durchschnittlich zwei Alkoxygruppen und zwei Acetoxygruppen an ein Siliciumatom gebunden. Ausbeute: 34,55 g (98 %).
Figure imgb0008
Figure imgb0009
To 13.76 g (52.08 mmol, 1.0 equiv) of silicon tetraacetate was added 34.00 g (104.17 mmol, 2.0 equiv) of S3. This reaction mixture was first stirred at room temperature for 1 min and then heated to 80° C. at 15 mbar for 15 min. The pressure was then reduced to 1 mbar for a further 3 hours. The reaction mixture was freed from volatile constituents in an oil pump vacuum for 8 h and filtered using compressed air through a filter with a pore size of 15 μm. In the resulting product mixture U3, an average of two alkoxy groups and two acetoxy groups are bonded to a silicon atom. Yield: 34.55 g (98%).

C. Hydrolyse + Kondensation - Herstellung der Harze H1, H2 bzw. H3:C. Hydrolysis + Condensation - Production of the resins H1, H2 and H3:

Die Produktgemische U1, U2 bzw. U3 wurden im Anschluss jeweils bei 90 °C in mehreren Schritten hydrolysiert. Dazu wurde so viel Wasser zugegeben, dass auf jede fünfte übrige gebundene Acetoxy-Gruppe ein Wassermolekül (mindestens jedoch auf jede zwanzigste vor der Hydrolyse vorhandene Acetat-Gruppe ein Wassermolekül) kommt. Nach der Wasserzugabe wurde das Gemisch bei 90 °C 1 min gerührt und anschließend die flüchtigen Bestandteile im Ölpumpenvakuum entfernt. Der Hydrolysegrad der Si-OAc- und der Si-OAIk-Gruppen wurde jeweils mittels 1H-NMR-Spektroskopie überprüft. Die Wasserzugabe wurde solange wiederholt bis im Wesentlichen alle Acetat-Gruppen aus dem Gemisch entfernt waren. Dabei wurde keine Spaltung der Alkoxy-Gruppen beobachtet. Bei den entstehenden Produkten H1, H2 bzw. H3 sind durchschnittlich zwei Alkoxygruppen an ein Siliciumatom gebunden. Die jeweiligen Produkte sind nachstehend als SH-Harze H1, H2 und H3 beschrieben.The product mixtures U1, U2 and U3 were then each hydrolyzed at 90 °C in several steps. To this end, enough water was added that there is one water molecule for every fifth remaining bonded acetoxy group (but at least one water molecule for every twentieth acetate group present before hydrolysis). After the water had been added, the mixture was stirred at 90° C. for 1 min and the volatile constituents were then removed under an oil pump vacuum. The degree of hydrolysis of the Si—OAc and Si—OAlk groups was checked in each case by means of 1 H NMR spectroscopy. The water addition was repeated until essentially all acetate groups were removed from the mixture. No cleavage of the alkoxy groups was observed here. The resulting products H1, H2 and H3 have on average two alkoxy groups attached to one silicon atom. The respective products are described below as SH resins H1, H2 and H3.

SH-Harz-Systeme:SH resin systems:

  • H1 (besitzt im Mittel zwei Alkoxy-Gruppen und zwei (OH/O...)-Gruppen pro Si-Atom)
    Figure imgb0010
    H1 (has on average two alkoxy groups and two (OH/O...) groups per Si atom)
    Figure imgb0010
  • H2 (besitzt im Mittel zwei Alkoxy-Gruppen und zwei (OH/O...)-Gruppen pro Si-Atom)
    Figure imgb0011
    H2 (has on average two alkoxy groups and two (OH/O...) groups per Si atom)
    Figure imgb0011
  • H3 (besitzt im Mittel zwei Alkoxy-Gruppen und zwei (OH/O...)-Gruppen pro Si-Atom)
    Figure imgb0012
    H3 (has on average two alkoxy groups and two (OH/O...) groups per Si atom)
    Figure imgb0012
D. Herstellung der Vernetzer (Verbindungen (2))D. Preparation of the crosslinkers (compounds (2)) D1.D1.

Figure imgb0013
Figure imgb0013

In 30,00 g (131,44 mmol) Glycerindimethacrylat (Mischung aus mono-, di- und trisubstituiertem Glycerin; im Mittel disubstituiert) wird 0,012 g (0,04 Gew.-%) Butylhydroxytoluol (BHT) gelöst. Die Reaktionsmischung wird anschließend bei 80 °C gerührt und langsam Cyclopentadien zugetropft. Das Cyclopentadien wird parallel durch die thermische Spaltung von Dicyclopentadien hergestellt und durch Destillation in die Reaktionsmischung überführt. Der Umsatz der Methacrylatgruppe wird durch 1H-NMR-Spektroskopie überwacht. Nach Beendigung der Reaktion wird nicht umgesetztes Cyclopentadien und Dicyclopentadien unter reduziertem Druck aus dem dem Reaktionsgemisch entfernt. Ausbeute: 47,31 g (100 %). Wird, wie im vorgenannten Beispiel, eine Mischung verschiedener Isomere von Glycerindimethacrylat verwendet, entstehen entsprechende Isomermischungen von V1. Diese lassen sich wie folgt darstellen:

Figure imgb0014
Figure imgb0015
Figure imgb0016
Figure imgb0017
0.012 g (0.04% by weight) of butylated hydroxytoluene (BHT) is dissolved in 30.00 g (131.44 mmol) of glycerol dimethacrylate (mixture of mono-, di- and trisubstituted glycerol; on average disubstituted). The reaction mixture is then stirred at 80° C. and cyclopentadiene is slowly added dropwise. The cyclopentadiene is produced in parallel by the thermal cleavage of dicyclopentadiene and transferred into the reaction mixture by distillation. Conversion of the methacrylate group is monitored by 1 H NMR spectroscopy. After completion of the reaction, unreacted cyclopentadiene and dicyclopentadiene are removed from the reaction mixture under reduced pressure. Yield: 47.31 g (100%). If, as in the above example, a mixture of different isomers of glycerol dimethacrylate is used, corresponding isomer mixtures of V 1 result. These can be represented as follows:
Figure imgb0014
Figure imgb0015
Figure imgb0016
Figure imgb0017

Im beispielhaften Fall betrugen die Anteile der Isomere des Glycerindimethacrylats (und dementsprechend auch die der Produkt-Isomere) (von oben nach unten gelesen) 18, 49, 16, 16 und 1 Mol-%. Selbstverständlich können auch andere Isomerenverhältnisse, oder -gemische oder reine Isomere eingesetzt werden.

Figure imgb0018
In the exemplary case, the proportions of the isomers of the glycerol dimethacrylate (and accordingly also those of the product isomers) (read from top to bottom) were 18, 49, 16, 16 and 1 mole %. It is of course also possible to use other isomer ratios or mixtures or pure isomers.
Figure imgb0018

In 30,00 g (104,78 mmol) Triethylenglykoldimethacrylat wird 0,012 g (0,04 Gew.-%) Butylhydroxytoluol (BHT) gelöst. Die Reaktionsmischung wird anschließend bei 80 °C gerührt und langsam Cyclopentadien zugetropft. Das Cyclopentadien wird parallel durch die thermische Spaltung von Dicyclopentadien hergestellt und durch Destillation in die Reaktionsmischung überführt. Der Umsatz der Methacrylatgruppe wird durch 1H-NMR-Spektroskopie überwacht. Nach Beendigung der Reaktion wird nicht umgesetztes Cyclopentadien und Dicyclopentadien unter reduziertem Druck aus dem Reaktionsgemisch entfernt. Ausbeute: 43,25 g (100 %).0.012 g (0.04% by weight) of butylated hydroxytoluene (BHT) is dissolved in 30.00 g (104.78 mmol) of triethylene glycol dimethacrylate. The reaction mixture is then stirred at 80° C. and cyclopentadiene is slowly added dropwise. The cyclopentadiene is produced in parallel by the thermal cleavage of dicyclopentadiene and transferred into the reaction mixture by distillation. Conversion of the methacrylate group is monitored by 1 H NMR spectroscopy. After completion of the reaction, unreacted cyclopentadiene and dicyclopentadiene are removed from the reaction mixture under reduced pressure. Yield: 43.25 g (100%).

D3. Weitere Beispiele für Vernetzer, die sich teilweise auf vergleichbare Weise wie V3 herstellen lassen, sind:

Figure imgb0019
Figure imgb0020
z.B. mit Mn = 575 g/mol d.h. im Schnitt n = 10 - 11, oder mit Mn = 700 g/mol).
Figure imgb0021
Figure imgb0022
D3. Further examples of crosslinkers, some of which can be produced in a manner comparable to V 3 , are:
Figure imgb0019
Figure imgb0020
eg with M n = 575 g/mol ie on average n = 10 - 11, or with M n = 700 g/mol).
Figure imgb0021
Figure imgb0022

Weil die Norbornenylgruppen der vorstehenden Di-Norbornenyl-Verbindungen über Carbonsäuregruppen bzw. Carbonatgruppen an dem Polyglycol angebunden sind, entsteht bei der Hydrolyse jeweils eine wasserlösliche kohlenwasserstoffhaltige Kette. Solche Vernetzer sind deshalb erfindungsgemäß als Komponente (2) geeignet. Auch durch Hydroxygruppen (siehe die unterste der obenstehenden Vernetzer) lässt sich die Wasserlöslichkeit der Abbauprodukte erreichen.

Figure imgb0023
Figure imgb0024
Figure imgb0025
Figure imgb0026
Figure imgb0027
Figure imgb0028
Because the norbornenyl groups of the above di-norbornenyl compounds are attached to the polyglycol via carboxylic acid groups or carbonate groups, a water-soluble hydrocarbon-containing chain is formed in each case during the hydrolysis. Such crosslinkers are therefore suitable according to the invention as component (2). The water solubility of the degradation products can also be achieved by means of hydroxyl groups (see the lowest of the crosslinkers above).
Figure imgb0023
Figure imgb0024
Figure imgb0025
Figure imgb0026
Figure imgb0027
Figure imgb0028

D4. Beispiele für Vernetzer mit C=C-DoppelbindungenD4. Examples of crosslinkers with C=C double bonds Allylether:allyl ether:

Figure imgb0029
Figure imgb0029
Figure imgb0030
Figure imgb0030
Figure imgb0031
Figure imgb0031
Figure imgb0032
Figure imgb0032
Figure imgb0033
Figure imgb0033
Figure imgb0034
Figure imgb0034

Vinylester:vinyl ester:

Figure imgb0035
Figure imgb0035
Figure imgb0036
Figure imgb0036
Figure imgb0037
Figure imgb0037
Figure imgb0038
Figure imgb0038
Figure imgb0039
Figure imgb0039

Allylester:allyl esters:

Figure imgb0040
Figure imgb0040
Figure imgb0041
Figure imgb0041
Figure imgb0042
Figure imgb0042
Figure imgb0043
Figure imgb0043
Figure imgb0044
Figure imgb0044

Weitere Vernetzer:Other crosslinkers:

Figure imgb0045
Figure imgb0045
Figure imgb0046
Figure imgb0046
Figure imgb0047
Figure imgb0047
Figure imgb0048
Figure imgb0048
Figure imgb0049
Figure imgb0049
Figure imgb0050
Figure imgb0050

E. Härtung der Harzsysteme/Probekörper-Herstellung und CharakterisierungE. Curing of the resin systems/specimen preparation and characterization E1. Mechanische Untersuchungen:E1 Mechanical investigations:

Zug-E-Modultensile modulus of elasticity Zugfestigkeittensile strenght H2 + V2H2 + V2 ~ 35 MPa~ 35Mpa ~1,6 MPa~1.6MPa H1 + V1H1 + V1 ~ 1900 MPa~ 1900MPa ∼17 MPa∼17MPa

Man erkennt, dass sich mit den erfindungsgemäßen Materialien eine spezifisch gesuchte Anpassung der mechanischen Werte an bestimmte Gewebe bewirken lässt. Da sich sowohl die anorganische als auch die organische Vernetzungsdichte einstellen lässt, kann der Fachmann durch geeignete Wahl innerhalb der Parameter, die die Erfindung beschreibt, genau die gewünschten Werte erzielen.It can be seen that the materials according to the invention can be used to bring about a specifically sought-after adaptation of the mechanical values to certain tissues. Since both the inorganic and the organic crosslinking density can be adjusted, the person skilled in the art can achieve precisely the desired values by making a suitable choice within the parameters that the invention describes.

E2. DegradationsversucheE2. degradation attempts Probenherstellung:Sample preparation:

In 4,77 g V2 wurden 0,04 g 1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en gelöst. Nach der Zugabe von 5,50 g H2 wurden die Probenkörper (Durchmesser 10 mm; Höhe 2 mm) bei 100 °C für 1 h im Ofen ausgehärtet.0.04 g of 1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ene was dissolved in 4.77 g of V2. After the addition of 5.50 g H2, the specimens (diameter 10 mm; height 2 mm) were cured in an oven at 100 °C for 1 hour.

In 5,55 g V1 wurden 0,10 g Lucerin-TPO und 0,02 g Pyrogallol gelöst. Nach der Zugabe von 4,00 g H1 wurden die Probekörper (Durchmesser 10 mm; Höhe 2 mm) durch Belichtung (2 x 5 min) ausgehärtet.0.10 g Lucerin-TPO and 0.02 g pyrogallol were dissolved in 5.55 g V1. After the addition of 4.00 g H1, the test specimens (diameter 10 mm; height 2 mm) were cured by exposure to light (2×5 min).

Massenverlust + Wasseraufnahme:Mass loss + water absorption:

Die Probekörper wurden in destilliertem Wasser bzw. in Pufferlösungen (Phosphat-Puffer und Carbonat-Puffer) bei 37 °C gelagert. Das Degradationsmedium wurde alle 5-7 Tage erneuert. Der Gewichtsverlust der Probenwurde nach 16 Wochen bestimmt.The specimens were stored in distilled water or in buffer solutions (phosphate buffer and carbonate buffer) at 37°C. The degradation medium was renewed every 5-7 days. The weight loss of the samples was determined after 16 weeks.

Folgender Gewichtsverlust wurde beobachtet:The following weight loss was observed:

Probesample Degradationsmediumdegradation medium Gewichtsverlust nach 16 WochenWeight loss after 16 weeks V2 + H2V2 + H2 Dest. H2Odist. H2O 28 %28% V2 + H2V2 + H2 Phosphat-Pufferphosphate buffer 20 %20% V2 + H2V2 + H2 Carbonat-Puffercarbonate buffer 100 %100% V1 + H1V1 + H1 Dest. H2Odist. H2O 5 %5% V1 + H1V1 + H1 Phosphat-Pufferphosphate buffer 3 %3% V1 + H1V1 + H1 Carbonat-Puffercarbonate buffer 6 %6%

Die Degradationsrate ist stark vom pH-Wert des Degradationsmediums und der Netzwerkstruktur des verwendeten Materialsystems abhängig und kann darüber entsprechend eingestellt und den Erfordernissen angepasst werden.The degradation rate is strongly dependent on the pH value of the degradation medium and the network structure of the material system used and can be set accordingly and adapted to the requirements.

Folgende Wasseraufnahme wurde beobachtet:The following water uptake was observed:

Probesample Degradationsmediumdegradation medium Wasseraufnahme nach 16 WochenWater intake after 16 weeks V2 + H2V2 + H2 Dest. H2Odist. H2O 50 Gew.-% bezogen auf Trockengewicht50% by weight based on dry weight V2 + H2V2 + H2 Phosphat-Pufferphosphate buffer 100 Gew.-% bezogen auf Trockengewicht100% by weight based on dry weight V2 + H2V2 + H2 Carbonat-Puffercarbonate buffer 54 Gew.-% bezogen auf Trockengewicht (nach 4 Wochen; nach 16 Wochen komplett abgebaut)54% by weight based on dry weight (after 4 weeks; completely degraded after 16 weeks) V1 + H1V1 + H1 Dest. H2Odist. H2O 10 Gew.-% bezogen auf Trockengewicht10% by weight based on dry weight V1 + H1V1 + H1 Phosphat-Pufferphosphate buffer 7 Gew.-% bezogen auf Trockengewicht7% by weight based on dry weight V1 + H1V1 + H1 Carbonat-Puffercarbonate buffer 14 Gew.-% bezogen auf Trockengewicht14% by weight based on dry weight

Die Wasseraufnahme korreliert mit obigem Massenverlust und den beschriebenen Abhängigkeiten.The water absorption correlates with the above mass loss and the dependencies described.

Aus einem Vergleich der beiden vorstehenden Beispielen lässt sich ablesen, dass die Wasseraufnahme durch Wahl geeigneter Verbindungen/Kondensate (1) und (2) variiert werden kann. So führt der Ersatz von V2 durch V1 (Ersatz der Methacrylatgruppen gegen Norbornenylgruppen) zu einer stärkeren Hydrophobie des Produkts. Gleichzeitig wird bei Ersatz des Harzes H2 gegen H1 der Abstand der SH-Gruppen zu den Si-Atomen verringert und damit das Vernetzungspotential erhöht. Beide Effekte dürften zu der beobachteten Verringerung der Wasseraufnahme beitragen.A comparison of the two examples above shows that the water absorption can be varied by choosing suitable compounds/condensates (1) and (2). Thus, replacing V2 with V1 (replacing the methacrylate groups with norbornenyl groups) leads to greater hydrophobicity of the product. At the same time, replacing the resin H2 with H1 reduces the distance between the SH groups and the Si atoms and thus increases the crosslinking potential. Both effects are likely to contribute to the observed reduction in water uptake.

1H-NMR-Untersuchungen:1 H-NMR investigations:

V2 + H2: Die Degradationsmedien wurden mittels 1H-NMR-Spektroskopie untersucht, um so mögliche Abbauprodukte zu identifizieren. Es konnte die Spaltung der Si-O-C-Bindung zwischen dem organischen und anorganischen Netzwerk nachgewiesen werden. Auch die hydrolytische Spaltung aller anderen Sollbruchstellen (in den aufgeführten Ausführungsbeispielen Ester-Gruppen) konnte durch den Nachweis von Glycerin in den Degradationsmedien bestätigt werden.V2 + H2: The degradation media were examined using 1 H-NMR spectroscopy in order to identify possible degradation products. The cleavage of the Si-OC bond between the organic and inorganic network could be demonstrated. The hydrolytic cleavage of all other predetermined breaking points (ester groups in the exemplary embodiments listed) could also be confirmed by the detection of glycerol in the degradation media.

V1 + H1: Die Degradationsmedien wurden mittels 1H-NMR-Spektroskopie untersucht, um so mögliche Abbauprodukte zu identifizieren. Es konnte die Spaltung der Si-O-C-Bindung zwischen dem organischen und anorganischen Netzwerk nachgewiesen werden.V1 + H1: The degradation media were examined using 1 H-NMR spectroscopy in order to identify possible degradation products. The cleavage of the Si-OC bond between the organic and inorganic network could be demonstrated.

F. 3D-Druck mittels Digital-Light-Processing (DLP-Verfahren)F. 3D printing using digital light processing (DLP method)

Die beschriebenen degradierbaren anorganisch vorvernetzten Silane z.B. H1, H2 und/oder H3 können mit den beschriebenen Vernetzern z.B. V1, V2 und/oder V3 durch die photoreaktiven Gruppen zusätzlich organisch vernetzt und damit ausgehärtet werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung des beschriebenen Materials in einem 3D-Drucker, der mit auf dem DLP-Prinzip beruht. Es können individuelle Strukturen erzeugt werden.The degradable inorganically pre-crosslinked silanes described, for example H1, H2 and/or H3, can be additionally organically crosslinked with the crosslinkers described, for example V1, V2 and/or V3, through the photoreactive groups and thus cured. This enables the processing of the described material in a 3D printer, which is based on the DLP principle. Individual structures can be created.

Anwendungsbeispiel 1:Application example 1:

In 16,12 g V3 werden 0,26 g Lucirin-TPO und 0,052 g Pyrogallol gelöst. Nach der Zugabe von 10,00 g H1 konnte das Material in einem 3D-Drucker (DLP-Verfahren) von Rapidshape S60-LED verarbeitet und die angestrebte Form erzeugt werden. Der so hergestellte Formkörper ist in Fig.1 dargestellt.0.26 g Lucirin-TPO and 0.052 g pyrogallol are dissolved in 16.12 g V3. After the addition of 10.00 g H1, the material could be processed in a Rapidshape S60-LED 3D printer (DLP process) and the desired shape produced. The shaped body produced in this way is in Fig.1 shown.

Das Beispiel wurde wiederholt, wobei 0,5 Gew.-% Titanoxid-Nanopartikel als Füllstoff zugesetzt wurden. Der so hergestellte poröse Formkörper (in Fig. 2 dargestellt) eignet sich z.B. als Knochenersatzmaterial.The example was repeated, with 0.5% by weight of titanium oxide nanoparticles being added as a filler. The porous shaped body produced in this way (in 2 shown) is suitable, for example, as a bone replacement material.

Anwendungsbeispiel 2 - 3D-gedrucktes Bauteil aus degradierbarem HybridpolymerApplication example 2 - 3D printed component made of degradable hybrid polymer Verwendetes Materialsystem:Material system used:

  • H1 + V3H1 + V3
  • + 1 Gew.-% LUCIRINO TPO (Initiator)+ 1% by weight LUCIRINO TPO (initiator)
  • + 0,05 Gew.-% Pyrogallol+ 0.05% by weight of pyrogallol
  • + 1 Gew.-% TiO2 Nanopartikeln+ 1% by weight TiO 2 nanoparticles

LUCIRINO TPO und Pyrogallol wurden in V3 gelöst, anschließend wurde H1 zugegeben und homogen vermischt. Danach wurden die TiO2-Nanopartikel mit einem Speedmixer (DAC 150 FVZ, Hauschild Engineering, Hamm) bei 2000 rpm für 3 Minuten eingearbeitet.LUCIRINO TPO and pyrogallol were dissolved in V3, then H1 was added and mixed homogeneously. The TiO 2 nanoparticles were then incorporated using a speed mixer (DAC 150 FVZ, Hauschild Engineering, Hamm) at 2000 rpm for 3 minutes.

Verwendeter 3D-Drucker:3D printer used:

Rapidshape S60 LED (DLP-Prinzip)Rapidshape S60 LED (DLP principle)

Verarbeitungsparameter beim Drucken:Processing parameters when printing:

  • Enbrennfaktor: 300 %Burn factor: 300%
  • Einbrenngradient: 7 SchichtenBaking gradient: 7 layers
  • Drückkraft: -50,0 mN/mm2 Pushing force: -50.0mN/ mm2
  • Trennkraft: 40,0 mN/mm2 Separating force: 40.0 mN/ mm2
  • Trennabstand: 500 µmSeparation distance: 500 µm
  • Energie: 1500,0 mJ/dm2 Energy: 1500.0 mJ/ dm2

Das Materialsystem wurde in genanntem 3D-Drucker zu einem Gitterwürfel mit einer Kantenlänge von 1 cm und interkonnektierten Poren verarbeitet.The material system was processed in the 3D printer mentioned to form a lattice cube with an edge length of 1 cm and interconnected pores.

Claims (13)

  1. A silane of the formula (1)

            R1 aSiR4-a     (1),

    wherein
    the group R1 or each of the groups R1 independently
    - is bound to the silicon via an oxygen atom,
    - has a straight or branched hydrocarbonaceous chain containing a plurality of chain sections each having not more than 8 consecutive carbon atoms, wherein the hydrocarbonaceous chain is composed of alkylene units the members of which are unsubstituted or substituted, wherein the substituents are selected from hydroxy, carboxylic acid, phosphate, phosphonic acid ester, phosphoric acid ester, tertiary amino and amino acid groups, and the hydrocarbonaceous chain is further substituted within each element by oxygen atoms, sulphur atoms or sulphonyl groups, wherein each of the chain sections of the hydrocarbonaceous chain is separated from the next chain section by an ester group as a cleavable group,
    - has at least one thiol or a primary or secondary amino group,
    the group R or each of the groups R is independently a hydrolytically condensable group selected from alkyl-COO-, alkyl-O- and HO-, and
    a is 1, 2, 3 or 4.
  2. The silane of the formula (1) according to claim 1, in which at least one of the chain sections of the hydrocarbon skeleton of the radical R1 has a maximum of six consecutive carbon atoms.
  3. An organically modified silica polycondensate comprising a hydrolytic condensation product of a silane according to claim 1 or 2 or a mixture of a plurality of said silanes.
  4. An organically modified, polymerized silicic acid polycondensate preparable by reacting the silane of the formula (1) according to claim 1 or 2 and/or an organically modified silicic acid polycondensate according to claim 3 with a compound R2(X)b (2),
    wherein
    the group R2 comprises a b-fold binding hydrocarbon backbone with a straight or branched hydrocarbonaceous chain having one or more chain sections each having not more than 8 consecutive carbon atoms, each of a plurality of chain sections of the hydrocarbonaceous chain being separated from the next chain section by a cleavable group,
    wherein the cleavable groups are selected from ester, anhydride, amide, carbonate, carbamate, ketal, acetal, disulfide, imine, hydrazone and oxime groups,
    X is a group which, in the said reaction, undergoes an addition reaction with the at least one thiol or primary or secondary amino group of the radical R1 of the silane of formula (1), and
    b is 2, 3, 4 or greater 4.
  5. The organically modified polymerized silica polycondensate according to claim 4, which is the product of the reaction of the silane of formula (1) according to claim 1 or 2 with said compound (2), said product having been subjected to hydrolytic condensation after said reaction.
  6. The organically modified polymerized silica polycondensate according to claim 4 or 5, wherein the chain section or at least one of the chain sections of the hydrocarbonaceous chain of the radical R2 has one or both of the following features (i) and (ii):
    (i) it is composed of alkylene units, the alkylene units being unsubstituted or at least one of the alkylene units being substituted with one or more groups selected from hydroxy, carboxylic acid, phosphate, phosphonic acid, phosphoric acid ester and tertiary amino and amino acid groups
    (ii) it is interrupted by one or more oxygen atoms and/or sulphur atoms and/or sulphonyl groups.
  7. The organically modified, polymerised silicic acid polycondensate according to claim 6, wherein at least one of the chain sections of the hydrocarbonaceous chain of the radical R2 (i) has at least one of the substituted alkylene units and (ii) is interrupted by one or more oxygen atoms and/or sulphur atoms and/or sulphonyl groups.
  8. The organically modified polymerized silica polycondensate according to any one of claims 4 to 7, wherein the group X of compound (2) has at least one organically polymerizable C=C double bond as a constituent of a group selected from an acrylate, or methacrylate or norbornenyl group, or an epoxy ring or spiro group.
  9. The organically modified polymerized silica polycondensate according to any one of claims 4 to 8, wherein at least one of the chain sections of the hydrocarbonaceous chain of the radical R2 has both of the following features (i) and (ii):
    (i) it is composed of alkylene units, at least one of the alkylene units being substituted with one or more groups selected from hydroxy, carboxylic acid, phosphate, phosphonic acid, phosphoric acid ester and tertiary amino and amino acid groups
    (ii) it is interrupted by one or more oxygen atoms and/or sulphur atoms and/or sulphonyl groups.
  10. The organically modified polymerized silica polycondensate according to any one of claims 4 to 9, wherein the compound R2(X)b has a molecular weight of at most 3000 g/mol.
  11. The organically modified polymerized silica polycondensate according to any one of claims 4 to 10, wherein the ratio of the groups X of compound (2) to the sum of the thiol and amino groups in the silanes (1) and condensation products thereof is 0.1 to below 1.0.
  12. The organically modified polymerized silica polycondensate according to any one of claims 4 to 11 in the form of a shaped body.
  13. The use of the shaped body according to claim 12 as a biologically or medically useful object or as an object for cell or tissue stabilization or for cell or tissue cultivation.
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